Optinio modulio funkcija užtikrina signalo apdorojimą

 

 

Optiniai moduliai apdoroja signalą per kelis elektros{0}}į-optinį ir optinį-į-elektrinį konvertavimą, duomenų stiprinimą, laiko atkūrimą ir klaidų taisymą. Pagrindinė optinio modulio funkcija neapdorotus elektrinius signalus paverčia švariais optiniais perdavimais, galinčiais judėti šviesolaidiniais tinklais 1,6 terabito per sekundę greičiu.

 

 

Trijų{0}}sluoksnių signalų apdorojimo architektūra

 

Pirminė optinio modulio funkcija veikia per tris skirtingus apdorojimo sluoksnius, kurių kiekvienas sprendžia konkrečias perdavimo problemas. Fizinis sluoksnis tvarko šerdies konversiją tarp elektrinių ir optinių sričių. Signalo kondicionavimo sluoksnis palaiko signalo vientisumą stiprinant ir normalizuodamas. Skaitmeninis apdorojimo sluoksnis valdo laiką, klaidų taisymą ir pažangias moduliavimo schemas, kurios leidžia padidinti duomenų perdavimo spartą.

Fizinis sluoksnis: elektro{0}}optinė konversija

Perdavimo gale lazerinio diodo tvarkyklė (LDD) konvertuoja skaitmeninius įtampos signalus į tikslius srovės signalus, kurie moduliuoja puslaidininkinius lazerius. Šiai konversijai reikalingas išskirtinis tikslumas,{1}}tik 0,1 miliampero pokytis gali iškraipyti optinės bangos formą. Šiuolaikinės LDD grandinės apima pirminio-paryškinimo grandines, kurios kompensuoja lazerio atsako charakteristikas ir efektyviai padidina pralaidumą 20–30 %, palyginti su pagrindinėmis pavaros grandinėmis.

Priėmimo gale naudojami fotodetektoriai, kurie generuoja srovę, proporcingą gaunamai optinei galiai. 1550 nm bangos ilgio signalas, perduodantis 100 Gbps, paprastai sukuria mikroampų diapazono fotosrovę, kurią reikia nedelsiant sustiprinti, kad būtų galima atlikti bet kokį reikšmingą apdorojimą.

Signalo kondicionavimo sluoksnis: stiprinimas ir normalizavimas

Transimpedanso stiprintuvas (TIA) atlieka svarbiausią pirmosios{0}}pakopos fotosrovę konvertuoti į įtampos signalus. TIA dizainas yra vienas iš sudėtingiausių optinio modulio inžinerijos aspektų. Stiprintuvas turi užtikrinti pakankamą stiprinimą-paprastai 60-70 dB, išlaikant pralaidumą, viršijantį signalo spartą. 100 Gbps signalui reikalingas bent 70 GHz TIA pralaidumas, kad būtų išsaugotas signalo tikslumas.

Po TIA stiprinimo ribojantis stiprintuvas (LA) normalizuoja signalo amplitudės pokyčius, atsirandančius dėl besikeičiančių optinės galios lygių. Be šio normalizavimo gaunamo signalo stiprumo svyravimai 10 dB ar daugiau apsunkintų tolesnio apdorojimo grandines. LA suspaudžia šiuos svyravimus į nuoseklų įtampos svyravimą, paprastai 400{4}}800 milivoltų nuo smailės iki maksimumo, kurį laikrodžio ir duomenų atkūrimo grandinės gali patikimai apdoroti.

 

Skaitmeninio apdorojimo sluoksnis: laikas ir klaidų valdymas

 

Laikrodžio ir duomenų atkūrimo (CDR) grandinės išgauna laiko informaciją iš gaunamo duomenų srauto ir atkuria švarius skaitmeninius signalus, sinchronizuotus su šiuo atkurtu laikrodžiu. Ši svarbi optinio modulio funkcija koreguoja laiko virpesius, susikaupusius per skaidulų perdavimo-drebėjimą, kuris gali siekti 30-50 pikosekundžių ilgo nuotolio{5}}nuorodose. CDR naudojamos fazės užrakintos kilpos, veikiančios duomenų perdavimo spartą atitinkančiais dažniais, o kilpos dažnių juostos plotis yra kruopščiai sureguliuotas, kad būtų galima stebėti teisėtus laiko svyravimus ir filtruoti triukšmą.

Optiniams moduliams, veikiantiems 400 G ir daugiau, skaitmeninio signalo apdorojimo (DSP) lustai tapo nepakeičiami. Šie specializuoti procesoriai įgyvendina sudėtingus algoritmus, kurie kompensuoja linijinius ir netiesinius iškraipymus, susikaupusius skaidulų perdavimo metu. Įprastas 400 G DSP lustas atlieka daugiau nei 10 trilijonų operacijų per sekundę, taikydamas išlyginimo filtrus su šimtais bakstelėjimų, kad panaikintų chromatinės sklaidos efektus, dėl kurių signalai kitu atveju taptų neatkuriami už kelių kilometrų.

 

Išplėstinis moduliavimas ir nuoseklus apdorojimas

 

Evoliucija link terabitų greičio privertė sukurti sudėtingus moduliavimo formatus, kurie koduoja kelis bitus vienam perduodamam simboliui. Impulso amplitudės moduliacija su 4 lygiais (PAM4) dvigubina spektrinį efektyvumą, koduodama du bitus vienam simbolio periodui. Tačiau ši optinio modulio funkcija kelia esminį iššūkį: signalo -ir-triukšmo santykis sumažėja maždaug 4,8 dB, palyginti su tradiciniu dviejų- lygių signalizavimu. Šis degradavimas susimaišo esant didesniam greičiui, kai 224 Gbps PAM4 perdavimas išstumia tiek optinius, tiek elektrinius komponentus iki fizinių ribų.

Skaitmeninė koherentinė optika (DCO) yra pažangiausia signalų apdorojimo forma šiuolaikiniuose optiniuose moduliuose. DCO sistemos tiesiogiai integruoja DSP lustus, galinčius apdoroti optinių signalų amplitudės ir fazės informaciją. Ši pažangi optinio modulio funkcija iš esmės skiriasi nuo intensyvumo{2}}moduliuotų sistemų, kurios aptinka tik galios pokyčius. Nuosekli imtuvai sumaišo gaunamus signalus su vietiniu osciliatoriaus lazeriu, leidžiančiu aptikti fazių ryšius. Šis nuoseklus aptikimas atrakina spektrinį efektyvumą, artėjantį prie teorinių Šenono ribų.

„Broadcom“ DSP lustas, naudojamas 800G SR8 moduliuose, yra šios technologijos evoliucijos pavyzdys. Sukurta 7 nm proceso technologija, į lustą integruoti analoginiai-į-skaitmeniniai keitikliai, veikiantys 100 gigasamplių per sekundę, skaitmeniniai ekvalaizeriai su daugiau nei 500 filtrų pajungimų ir tiesioginių klaidų taisymo varikliai, galintys ištaisyti 100 bitų iš eilės serijų klaidas. Ši apdorojimo galia leidžia perduoti 800 Gbps greičiu per standartinį vieno{11}}modės skaidulą, kai bitų klaidų dažnis mažesnis nei 10^-15.

 

 

Signalo pablogėjimas ir kompensavimo strategijos

 

Šviesolaidinis perdavimas sukelia daugybę signalų pablogėjimų, kuriuos apdorojimo grandinės turi neutralizuoti. Pagrindinė optinio modulio funkcija apima chromatinės dispersijos kompensavimą, dėl kurio skirtingi bangos ilgiai sklinda šiek tiek skirtingu greičiu, o simboliai pasklinda laiku. Esant 100 Gbps greičiui, nekompensuota 17 pikosekundžių nanometre vienam kilometrui chromatinė dispersija sukaupia simbolių trukdžius jau nuvažiavus 3 kilometrus. DSP algoritmai įdiegia skaitmeninius filtrus, kurie efektyviai pakeičia šią dispersiją, užtikrindami patikimą perdavimą didesniais nei 80 kilometrų atstumais be optinių dispersijos kompensatorių.

Poliarizacijos režimo dispersija yra sudėtingesnis iššūkis. Dėl pluošto dvigubo lūžio skirtingų poliarizacijos būsenų signalo komponentai patenka skirtingu laiku. Skirtingai nuo chromatinės dispersijos deterministinio elgesio, poliarizacijos efektai svyruoja atsitiktinai dėl temperatūros pokyčių ir mechaninio pluošto įtempio. Prisitaikantys ekvalaizeriai stebi šiuos pokyčius realiuoju laiku-kas mikrosekundę atnaujindami filtro koeficientus, kad išlaikytų signalo kokybę.

Netiesiniai pluošto efektai tampa reikšmingi esant didelėms optinėms galioms ir dideliems atstumams. Savaiminis-fazių moduliavimas, kryžminis-fazių moduliavimas ir keturių-bangų maišymas iškraipo perduodamas bangos formas taip, kaip priklauso nuo signalo modelių. Pažangiuose DSP diegimuose naudojami skaitmeniniai atgalinio skleidimo algoritmai, kurie matematiškai modeliuoja ir apverčia šiuos netiesinius efektus. Nors sudėtingas skaičiavimas, -reikalaujantis iki 40 % turimos apdorojimo talpos-, šie algoritmai padidina perdavimo pasiekiamumą 30–50 %, palyginti su vien tiesine kompensacija.

 

Energijos efektyvumas ir šilumos valdymas

 

Didėjant duomenų perdavimo spartai, signalo apdorojimo energijos suvartojimas tapo kritiniu dizaino apribojimu. Labai svarbu suprasti optinio modulio funkciją valdant galią, nes 400 G optinis modulis su DSP paprastai sunaudoja 12-15 vatų, o DSP lustas sudaro 5–6 vatus. Esant 800 G, energijos suvartojimas padidėja iki 18–22 vatų, todėl kyla didelių šiluminių problemų didelio tankio įrenginiuose, kur dešimtys modulių yra viename jungiklio skydelyje.

Pramonė reagavo keliais energijos optimizavimo būdais. Linijinės pavaros prijungiama optika (LPO) visiškai pašalina DSP ir CDR trumpo pasiekiamumo-programoms, sumažindama modulio galią iki 6-8 vatų, kad būtų galima perduoti 800 G per atstumą iki 2 kilometrų. Tačiau šis metodas apkrauna signalo apdorojimo naštą pagrindinės sistemos jungikliui ASIC, todėl reikia sudėtingesnių SerDes grandinių su įmontuotomis išlyginimo galimybėmis.

Pažangi proceso technologija suteikia dar vieną galios mažinimo būdą. Perėjimas nuo 16 nm prie 7 nm gamybos sumažino DSP energijos suvartojimą maždaug 40%, esant lygiavertėms apdorojimo galimybėms. „Marvell“ „Spica Gen2{7}}T“ perdavimo DSP, sukurtas naudojant 5 nm technologiją, demonstruoja šią tendenciją – 800 Gbps apdorojimo sparta sunaudoja mažiau nei 4 vatus.

 

Rinkos raida ir techniniai iššūkiai

 

Optinio modulio DSP lustų rinka 2025 m. pasiekė maždaug 364 mln. USD, o prognozės rodo 6,8 % metinį augimą iki 2033 m. Šie skaičiai atspindi didėjančią optinio modulio funkcijos svarbą šiuolaikinėje duomenų infrastruktūroje. 2024 m. 400 G ir 800 G modulių siuntos viršijo 20 mln. vienetų, ty keturis kartus daugiau nei 2023 m. Pirmieji 1,6 terabitų moduliai pradėti pristatyti 2024 m. pabaigoje, visų pirma Nvidia GB200 AI mokymo klasteriams, o 2025 m. prognozuojama, kad bus 3–5 mln. vienetų.

Dėl šio greičio padidėjimo atsiranda signalų apdorojimo iššūkių, dėl kurių dabartinės technologijos išstumia iki savo ribų. Apdorojant 224 Gbps PAM4 signalus-per-1,6T moduliams reikalingą dažnį per juostą-reikia optinių moduliatorių, kurių pralaidumas viršija 100 GHz. Tradiciniai silicio -pagrįsti moduliatoriai susiduria su šiais dažniais, todėl reikia ištirti plonos{10}plėvelės ličio niobato alternatyvas, kurios žada 50 % didesnį elektros{12}}į-optinį pralaidumą.

Puslaidininkių pramonės gebėjimas užtikrinti pakankamą DSP pajėgumą yra dar vienas apribojimas. Dabartiniams 1.6T moduliams reikalingi DSP lustai pažangiausiuose 5 nm proceso mazguose. Prognozuojama, kad iki 2026 m. jų poreikis viršys 40 mln. vienetų kasmet. Šis kiekis apkrauna liejyklos pajėgumus tuo metu, kai AI greitintuvo lustai konkuruoja dėl tų pačių pažangių mazgų. Tiekimo analitikai tikisi, kad periodinis trūkumas apribos optinių modulių gamybą iki 2025 m., o kainodaros priemokos 15–20 % viršys normalizuotą lygį.

 

Integracijos tendencijos ir silicio fotonika

 

Siekis didesnio integracijos tankio paspartino silicio fotonikos pritaikymą. Ši technologija gamina optinius komponentus naudojant standartinius puslaidininkių gamybos procesus, leidžiančius integruoti lazerius, moduliatorius, fotodetektorius ir net bangos ilgio multiplekserius į vieną lustą. Ši konsoliduoto optinio modulio funkcija sumažina komponentų skaičių 60–70 %, palyginti su atskiru diegimu, padidindama patikimumą ir energijos vartojimo efektyvumą.

Bendra{0}}paketuota optika (CPO) yra galutinis integracijos tikslas. CPO deda optinius modulius tiesiai ant jungiklio ASIC paketų, pašalinant elektros signalo kelius, kurie vartoja energiją ir riboja pralaidumą. Ankstyvosiose CPO demonstracijose buvo pasiektas 51,2 terabitų dvikryptis pralaidumas 400 - vatų šiluminiame apvalkale – maždaug 4 kartus didesnis nei bendras pralaidumas, pasiekiamas naudojant prijungiamus modulius su lygiaverčiu energijos biudžetu.

Tačiau CPO kelia didelių iššūkių signalų apdorojimo architektūrai. Griežta integracija neleidžia tikrinti modulio{1}}lygio ir kvalifikuoti, o tai užtikrina prijungiamų konstrukcijų patikimumą. Jei sugenda vienas optinis kanalas, reikia pakeisti visą jungiklio ASIC paketą, o ne pakeisti modulį. Dizaineriai kuria skaidinių strategijas, kurios suderina integracijos pranašumus ir tinkamumo naudoti reikalavimus.

 

Ateities optinio signalo apdorojimo raidos

 

Tyrimų kryptyse siūlomos kelios trajektorijos, skirtos naujos{0}}kartos signalų apdorojimui. Mašininio mokymosi algoritmai žada adaptyvų išlyginimą, kuris išmoksta optimalias kompensavimo strategijas iš kanalo charakteristikų, o ne pasikliauja iš anksto nustatytomis filtrų struktūromis. Laboratorinės demonstracijos, kuriose naudojami neuroninių tinklų-ekvalaizeriai, pasiekė 15-20 % Q koeficiento patobulinimų, palyginti su įprastais linijiniais ekvalaizeriais labai dispersiniuose kanaluose.

Fotoninio signalo apdorojimas-atliekant skaičiavimo operacijas tiesiogiai optinėje srityje{1}}gali visiškai apeiti elektroninius greičio apribojimus. Visas-optinis perjungimas, pagrįstas puslaidininkinio optinio stiprintuvo stiprinimo prisotinimu, leidžia konvertuoti bangos ilgį ir atkurti signalą be elektros konvertavimo. Silicio bangolaidžiai su patobulintu trečiosios-eilės netiesiškumu gali atlikti optines XOR operacijas 160 Gb/s greičiu, o tai rodo visų -optinių paketų apdorojimo kelius.

Perėjimas nuo 1,6 T prie 3,2 T ir daugiau greičiausiai pareikalaus esminių moduliavimo metodo pokyčių. Nors aukštesnės-tvarkės QAM formatai (256-QAM arba daugiau) gali užkoduoti daugiau bitų vienam simboliui, jiems reikia signalo-ir-triukšmo santykio, kuris tampa nepraktiškas realiose-pasaulio pluošto gamyklose. Tikimybinis konsteliacijos formavimas{10}}moduliacijos formatų pritaikymas prie momentinių kanalo sąlygų – tai vienas daug žadantis metodas, nors jis padidina DSP sudėtingumą 2–3 kartus, palyginti su fiksuotu moduliavimu.

 

Dažnai užduodami klausimai

 

Koks pagrindinis signalo apdorojimo optiniuose moduliuose tikslas?

Esminė optinio modulio funkcija palaiko signalo kokybę visame perdavimo kelyje, kompensuodama iškraipymus, atkurdama laiko informaciją ir ištaisydama klaidas. Be šių apdorojimo etapų optiniai signalai susilpnėtų ir atsigautų per kelis kilometrus nuo šviesolaidžio ir apribotų praktinį ryšį atstumais, daug trumpesniais nei dešimtys ar šimtai kilometrų, būdingi šiuolaikiniams tinklams.

Kuo DSP skiriasi nuo tradicinių CDR grandinių?

CDR grandinės veikia analoginiame domene, naudodamos fazės{0}}užrakintas kilpas, kad išgautų laikrodžio ir pakartotinio laiko duomenis. DSP atlieka tas pačias funkcijas skaitmeniniu būdu, kai konvertuoja signalus didelės spartos-analoginiais-į-skaitmeniniais keitikliais. Skaitmeninis metodas leidžia naudoti daug sudėtingesnius kompensavimo algoritmus{6}}ekvalaizeriai su šimtais palietimų, pažangus moduliavimo palaikymas ir netiesinis kompensavimas,{7}}tačiau už žymiai didesnį energijos suvartojimą.

Kodėl didėja signalo apdorojimo energijos suvartojimas?

Energijos suvartojimo skalė priklauso tiek duomenų perdavimo spartai, tiek apdorojimo sudėtingumui. Didesniam duomenų perdavimo greičiui reikia greitesnių atrankos keitiklių ir dažnesnių filtrų atnaujinimų. Pažangūs moduliavimo formatai, tokie kaip PAM4 ir QAM, reikalauja daugiau skaičiavimo operacijų vienam bitui, kad būtų išlaikyta tinkama signalo kokybė. 1.6T modulis apdoroja 8 kartus daugiau duomenų nei 200G modulis, tačiau DSP galia padidėja maždaug 10–12 kartų dėl didėjančio algoritmo sudėtingumo.

Ar optiniai moduliai gali veikti be signalo apdorojimo?

Pagrindiniai mažos spartos{0}}moduliai, veikiantys mažiau nei 10 Gb/s, gali veikti su minimaliu apdorojimu-tik lazerinėmis tvarkyklėmis ir pagrindiniu stiprinimu. Tačiau optinio modulio funkcija tampa vis svarbesnė esant didesniam greičiui. 25 Gbps ir didesnio greičio moduliams reikalingas mažiausiai CDR, o didesniems nei 100 Gbps greičiui vis dažniau reikia DSP išlyginimui ir klaidų taisymui. LPO metodas 800G pašalina integruotą apdorojimą, bet perduoda šias funkcijas į pagrindinę sistemą.

 

Key Takeaways

 

Optinio modulio signalų apdorojimas veikia per tris skirtingus sluoksnius: fizinį konvertavimą, signalo kondicionavimą ir skaitmeninį apdorojimą

Šiuolaikiniai DSP lustai atlieka daugiau nei 10 trilijonų operacijų per sekundę, kad kompensuotų skaidulų perdavimo sutrikimus

PAM4 moduliacija įgalina didesnį duomenų perdavimo spartą, bet įveda 4,8 dB signalo-į-triukšmą, kuriam reikalinga sudėtinga kompensacija

Energijos suvartojimas tapo pagrindiniu dizaino apribojimu: 400 G moduliai sunaudoja 12–15 vatų, o 800 G moduliai siekia 18–22 vatus.

Silicio fotonikos integravimas ir bendrai supakuota{0}}optika atspindi pagrindines tendencijas siekti didesnio tankio ir geresnio efektyvumo

Optinio modulio DSP lustų rinka kasmet auga 6,8 %, o 2024 m. siunta viršys 20 mln.

 

Šaltiniai

 

FiberMall - Kokie yra optinio modulio vidiniai komponentai (https://www.fibermall.com/blog/what-yra-viduje--optiniame-modulyje.htm)

Fiber Optic Share - Exploring the Path of Optical Module Technology (https://www.fiberopticshare.com/exploring-the-path-of-optical-module-technology.html)

FS.com - DSP supratimas koherentiniuose optiniuose moduliuose (https://www.fs.com/blog/understanding-dsp-in-coherent-optical-modules-16652.html)

360iResearch - Optical Module DSP Chip Market Size & Share 2025-2030 (https://www.360iresearch.com/library/intelligence/optical-module-dsp-chip)

Gamta - Mokomas skaitmeninių signalų apdorojimas optinio pluošto ryšiams (https://www.nature.com/articles/s41377-024-01556-5)

„Springer“ - Silicio{1}}perkonfigūruojamų AOSP lustų pažanga (https://link.springer.com/article/10.1007/s12200-025-00154-6)

Deep Fundamental - Deep Dive: Optical Module Market (https://deepfundamental.substack.com/p/deep-dive-optical-module-market)

Consegic Business Intelligence - Digital Signal Processor Market Forecast 2025-2032 (https://www.consegicbusinessintelligence.com/digital-signal{6}}processor-market)