توفر وظيفة الوحدة الضوئية معالجة الإشارات

 

 

توفر الوحدات الضوئية معالجة الإشارات من خلال مراحل متعددة من التحويل الكهربائي-إلى-البصري والبصري-إلى-التحويل الكهربائي، ومعالجة تضخيم البيانات، واستعادة التوقيت، وتصحيح الأخطاء. تعمل وظيفة الوحدة الضوئية الأساسية على تحويل الإشارات الكهربائية الخام إلى عمليات إرسال بصرية نظيفة قادرة على الانتقال عبر شبكات الألياف الضوئية بسرعات تصل إلى 1.6 تيرابت في الثانية.

 

 

بنية معالجة الإشارات-الثلاثية الطبقات

 

تعمل وظيفة الوحدة البصرية الأساسية من خلال ثلاث طبقات معالجة متميزة، تعالج كل منها تحديات نقل محددة. تعالج الطبقة المادية التحويل الأساسي بين المجالات الكهربائية والضوئية. تحافظ طبقة تكييف الإشارة على سلامة الإشارة من خلال التضخيم والتطبيع. تدير طبقة المعالجة الرقمية التوقيت وتصحيح الأخطاء وأنظمة التعديل المتقدمة التي تتيح معدلات بيانات أعلى.

الطبقة المادية: التحويل الكهربائي-البصري

في نهاية الإرسال، يقوم برنامج تشغيل الصمام الثنائي الليزري (LDD) بتحويل إشارات الجهد الرقمي إلى إشارات تيار دقيقة تعمل على تعديل أشعة ليزر أشباه الموصلات. يتطلب هذا التحويل دقة استثنائية-يمكن أن يؤدي الاختلاف بمقدار 0.1 مللي أمبير فقط إلى تشويه شكل الموجة الضوئية. تشتمل دوائر LDD الحديثة على-دوائر التركيز المسبق التي تعوض خصائص استجابة الليزر، مما يؤدي إلى توسيع عرض النطاق الترددي بشكل فعال بنسبة 20-30% مقارنة بدوائر محرك الأقراص الأساسية.

يستخدم الطرف المتلقي أجهزة كشف ضوئية تولد تيارًا يتناسب مع الطاقة الضوئية الواردة. عادةً ما تنتج إشارة الطول الموجي 1550 نانومتر التي تحمل 100 جيجابت في الثانية تيارًا ضوئيًا في نطاق الميكرو أمبير، مما يتطلب تضخيمًا فوريًا قبل حدوث أي معالجة ذات معنى.

طبقة تكييف الإشارة: التضخيم والتطبيع

يقوم مضخم المعاوقة (TIA) بإجراء المرحلة الأولى الحاسمة- من تحويل التيار الكهروضوئي إلى إشارات الجهد الكهربي. يمثل تصميم TIA أحد الجوانب الأكثر تحديًا في هندسة الوحدات الضوئية. يجب أن يوفر مكبر الصوت كسبًا كافيًا-عادةً 60-70 ديسيبل - مع الحفاظ على عرض النطاق الترددي الذي يتجاوز معدل الإشارة. تتطلب الإشارة بسرعة 100 جيجابت في الثانية عرض نطاق ترددي TIA يبلغ 70 جيجا هرتز على الأقل للحفاظ على دقة الإشارة.

بعد تضخيم TIA، يقوم مضخم الحد (LA) بتطبيع اختلافات سعة الإشارة الناتجة عن تغيير مستويات الطاقة الضوئية. وبدون هذا التطبيع، فإن اختلافات قوة الإشارة المستقبلة البالغة 10 ديسيبل أو أكثر قد تطغى على دوائر المعالجة النهائية. يقوم LA بضغط هذه الاختلافات في تأرجح جهد ثابت، عادةً ما يكون 400-800 مللي فولت من الذروة-إلى الذروة، والتي يمكن لدارات الساعة واسترداد البيانات معالجتها بشكل موثوق.

 

طبقة المعالجة الرقمية: التوقيت وإدارة الأخطاء

 

تستخرج دوائر الساعة واستعادة البيانات (CDR) معلومات التوقيت من تدفق البيانات الواردة وتعيد إنشاء إشارات رقمية نظيفة متزامنة مع هذه الساعة المستردة. تقوم وظيفة الوحدة الضوئية الهامة هذه بتصحيح ارتعاش التوقيت المتراكم أثناء نقل الألياف-ارتعاش يمكن أن يصل إلى 30-50 بيكو ثانية في روابط النقل الطويلة-. يستخدم CDR حلقات مقفلة الطور تعمل على ترددات تتوافق مع معدل البيانات، مع ضبط عروض النطاق الترددي للحلقة بعناية لتتبع اختلافات التوقيت المشروعة أثناء تصفية الضوضاء.

بالنسبة للوحدات الضوئية التي تعمل بسرعة 400 جيجا وما فوق، أصبحت شرائح معالجة الإشارات الرقمية (DSP) لا غنى عنها. تنفذ هذه المعالجات المتخصصة خوارزميات متطورة تعوض التشوهات الخطية وغير الخطية المتراكمة أثناء نقل الألياف. تقوم شريحة 400G DSP النموذجية بتنفيذ أكثر من 10 تريليون عملية في الثانية، مع تطبيق مرشحات المعادلة بمئات النقرات للتراجع عن تأثيرات التشتت اللوني التي قد تجعل الإشارات غير قابلة للاسترداد بعد بضعة كيلومترات.

 

التعديل المتقدم والمعالجة المتماسكة

 

لقد استلزم التطور نحو سرعات تيرابت تنسيقات تعديل معقدة تعمل على تشفير بتات متعددة لكل رمز مرسل. يعمل تعديل سعة النبض بأربعة مستويات (PAM4) على مضاعفة الكفاءة الطيفية عن طريق تشفير بتتين لكل فترة رمز. ومع ذلك، فإن وظيفة الوحدة الضوئية هذه تقدم تحديًا أساسيًا: حيث تقل نسبة الإشارة-إلى-الضوضاء بمقدار 4.8 ديسيبل تقريبًا مقارنة بالإشارة التقليدية ذات المستويين-. يتفاقم هذا التدهور بسرعات أعلى، حيث يدفع نقل PAM4 بسرعة 224 جيجابت في الثانية المكونات الضوئية والكهربائية إلى حدودها المادية.

تمثل البصريات الرقمية المتماسكة (DCO) الشكل الأكثر تقدمًا لمعالجة الإشارات في الوحدات الضوئية الحديثة. تقوم أنظمة DCO بدمج شرائح DSP القادرة على معالجة معلومات السعة والطور للإشارات الضوئية بشكل مباشر. تختلف وظيفة الوحدة الضوئية المتقدمة هذه بشكل أساسي عن الأنظمة المعدلة الكثافة- التي تكتشف تغيرات الطاقة فقط. تقوم أجهزة الاستقبال المتماسكة بخلط الإشارات الواردة مع ليزر مذبذب محلي، مما يتيح اكتشاف علاقات الطور. يفتح هذا الاكتشاف المتماسك كفاءات طيفية تقترب من حدود شانون النظرية.

تجسد شريحة Broadcom DSP المستخدمة في وحدات 800G SR8 هذا التطور التكنولوجي. تعتمد الشريحة على تقنية المعالجة 7 نانومتر، وهي تدمج المحولات التناظرية - إلى - الرقمية التي تعمل بمعدل 100 جيجا عينة في الثانية، والمعادلات الرقمية مع أكثر من 500 نقرة مرشح، ومحركات تصحيح الأخطاء الأمامية القادرة على تصحيح أخطاء الاندفاع التي تمتد إلى 100 بت متتالية. تتيح قوة المعالجة هذه إمكانية النقل بسرعة 800 جيجابت في الثانية عبر الألياف القياسية ذات الوضع الفردي-مع معدلات خطأ في البت أقل من 10^-15.

 

 

ضعف الإشارة واستراتيجيات التعويض

 

يقدم نقل الألياف الضوئية تدهورًا متعددًا للإشارة يجب أن تتصدى له دوائر المعالجة. تتضمن وظيفة الوحدة الضوئية الرئيسية التعويض عن التشتت اللوني، الذي يتسبب في انتقال أطوال موجية مختلفة بسرعات مختلفة قليلاً، مما يؤدي إلى نشر الرموز في الوقت المناسب. عند سرعة 100 جيجابت في الثانية، يعمل التشتت اللوني غير المعوض بمقدار 17 بيكو ثانية لكل نانومتر لكل كيلومتر على تجميع تداخل الرمز بعد 3 كيلومترات فقط. تطبق خوارزميات DSP مرشحات رقمية تعمل على عكس هذا التشتت بشكل فعال، مما يتيح نقلًا موثوقًا عبر مسافات تتجاوز 80 كيلومترًا دون معوضات التشتت الضوئية.

يمثل تشتت وضع الاستقطاب تحديًا أكثر تعقيدًا. يؤدي انكسار الألياف إلى وصول مكونات الإشارة في حالات استقطاب مختلفة في أوقات مختلفة. على عكس السلوك الحتمي للتشتت اللوني، تتقلب تأثيرات الاستقطاب بشكل عشوائي بسبب تغيرات درجات الحرارة والضغط الميكانيكي على الألياف. تعمل المعادلات التكيفية على تتبع هذه الاختلافات في الوقت الفعلي-، وتحديث معاملات التصفية كل ميكروثانية للحفاظ على جودة الإشارة.

تصبح التأثيرات غير الخطية في الألياف مهمة عند القوى الضوئية العالية والمسافات الطويلة. يعمل تعديل الطور الذاتي-، وتعديل الطور المتقاطع -، وخلط الموجات الأربعة- على تشويه أشكال الموجات المرسلة بطرق تعتمد على أنماط الإشارة. تستخدم تطبيقات DSP المتقدمة خوارزميات الانتشار العكسي الرقمية التي تعمل على تصميم وعكس هذه التأثيرات غير الخطية رياضيًا. في حين أن العمليات الحسابية المكثفة-والتي تتطلب ما يصل إلى 40% من سعة المعالجة المتاحة- تعمل هذه الخوارزميات على توسيع نطاق النقل بنسبة 30-50% مقارنة بالتعويض الخطي وحده.

 

كفاءة الطاقة والإدارة الحرارية

 

أصبح استهلاك طاقة معالجة الإشارات عائقًا حاسمًا في التصميم مع زيادة معدلات البيانات. يعد فهم وظيفة الوحدة الضوئية في إدارة الطاقة أمرًا ضروريًا، حيث تستهلك الوحدة الضوئية 400 جيجا المزودة بمعالج الإشارة الرقمية (DSP) عادةً 12-15 واطًا، وتمثل شريحة معالج الإشارة الرقمية (DSP) 5-6 واط من هذا الإجمالي. عند 800 جيجا، يرتفع استهلاك الطاقة إلى 18-22 واط، مما يخلق تحديات حرارية كبيرة في التطبيقات عالية الكثافة حيث تملأ العشرات من الوحدات لوحة مفاتيح واحدة.

استجابت الصناعة بعدة طرق لتحسين الطاقة. تعمل البصريات القابلة للتوصيل (LPO) للمحرك الخطي على التخلص من DSP وCDR تمامًا لتطبيقات الوصول القصير-، مما يقلل طاقة الوحدة إلى 6-8 واط لنقل 800 جيجا عبر مسافات تصل إلى 2 كيلومتر. ومع ذلك، فإن هذا النهج يضع أعباء معالجة الإشارات على محول ASIC الخاص بالنظام المضيف، مما يتطلب دوائر SerDes أكثر تطوراً مع إمكانات معادلة مدمجة.

توفر تقنية المعالجة المتقدمة طريقًا آخر لتقليل الطاقة. أدى الانتقال من تصنيع 16 نانومتر إلى 7 نانومتر إلى تقليل استهلاك طاقة معالج الإشارة الرقمية (DSP) بنسبة 40% تقريبًا بقدرات معالجة مكافئة. يوضح Marvell's Spica Gen2-T الإرسال DSP، المبني على تقنية 5 نانومتر، هذا الاتجاه الذي يوفر معالجة بسرعة 800 جيجابت في الثانية بينما يستهلك أقل من 4 واط.

 

تطور السوق والتحديات التقنية

 

وصل سوق شرائح DSP للوحدات الضوئية إلى ما يقرب من 364 مليون دولار في عام 2025، مع توقعات تشير إلى نمو سنوي مركب بنسبة 6.8% حتى عام 2033. وتعكس هذه الأرقام الأهمية المتزايدة لوظيفة الوحدة الضوئية في البنية التحتية الحديثة للبيانات. تجاوزت شحنات وحدات 400G و800G 20 مليون وحدة في عام 2024، وهو ما يمثل زيادة بمقدار أربعة أضعاف عن عام 2023. وبدأت عمليات التسليم الأولية لوحدات 1.6 تيرابت في أواخر عام 2024، بشكل أساسي لمجموعات تدريب GB200 AI من Nvidia، مع توقعات بأحجام عام 2025 عند 3-5 ملايين وحدة.

يقدم تصاعد المعدل هذا تحديات في معالجة الإشارات تدفع التقنيات الحالية إلى أقصى حدودها. تتطلب معالجة إشارات PAM4 بسرعة 224 جيجابت في الثانية-معدل المسار لكل-المطلوب لوحدات 1.6T-وحدات تعديل بصرية بعرض نطاق ترددي يتجاوز 100 جيجاهرتز. تواجه المعدِّلات التقليدية المعتمدة على السيليكون- صعوبة في التعامل مع هذه الترددات، مما يؤدي إلى البحث في بدائل نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة التي تعد بنطاق ترددي كهربائي أكبر بنسبة 50%-إلى-البصرية.

وتمثل قدرة صناعة أشباه الموصلات على توفير قدرة DSP كافية عائقاً آخر. تتطلب الوحدات 1.6T الحالية شرائح DSP على عقد المعالجة الرائدة- ذات الحافة 5 نانومتر، مع توقع أن يتجاوز الطلب 40 مليون وحدة سنويًا بحلول عام 2026. وهذا الحجم يضغط على قدرة المسبك في الوقت الذي تتنافس فيه رقائق تسريع الذكاء الاصطناعي على نفس العقد المتقدمة. يتوقع محللو العرض أن يؤدي النقص الدوري إلى تقييد إنتاج الوحدات الضوئية حتى عام 2025، مع أقساط تسعير تتراوح بين 15-20% فوق المستويات الطبيعية.

 

اتجاهات التكامل والضوئيات السيليكون

 

أدى التوجه نحو كثافات التكامل الأعلى إلى تسريع اعتماد ضوئيات السيليكون. تقوم هذه التقنية بتصنيع المكونات البصرية باستخدام عمليات تصنيع أشباه الموصلات القياسية، مما يتيح تكامل أجهزة الليزر والمعدلات والكاشفات الضوئية وحتى معددات إرسال الطول الموجي على شرائح واحدة. تعمل وظيفة الوحدة الضوئية المدمجة هذه على تقليل عدد المكونات بنسبة 60-70% مقارنة بالتطبيقات المنفصلة، ​​مما يؤدي إلى تحسين الموثوقية وكفاءة الطاقة.

تمثل العناصر البصرية المعبأة (CPO)- هدف التكامل النهائي. يضع CPO الوحدات الضوئية مباشرة على حزم ASIC الخاصة بالمحولات، مما يزيل مسارات الإشارة الكهربائية التي تستهلك الطاقة وتحد من عرض النطاق الترددي. حققت العروض التوضيحية المبكرة لـ CPO 51.2 تيرابايت من عرض النطاق الترددي ثنائي الاتجاه ضمن غلاف حراري بقدرة 400-وات - أي ما يقرب من 4 أضعاف إجمالي عرض النطاق الترددي الذي يمكن تحقيقه باستخدام وحدات قابلة للتوصيل بميزانيات طاقة مكافئة.

ومع ذلك، يقدم CPO تحديات كبيرة لهندسة معالجة الإشارات. يمنع التكامل المحكم اختبار مستوى الوحدة -والتأهيل الذي يضمن الموثوقية في التصميمات القابلة للتوصيل. إذا فشلت قناة بصرية واحدة، فإن حزمة ASIC للمحول بأكملها تتطلب الاستبدال بدلاً من مجرد تبديل الوحدة النمطية. يقوم المصممون بتطوير إستراتيجيات التقسيم التي توازن بين فوائد التكامل ومتطلبات إمكانية الخدمة.

 

التطورات المستقبلية في معالجة الإشارات الضوئية

 

تقترح اتجاهات البحث عدة مسارات-لمعالجة الإشارات من الجيل التالي. تُظهِر خوارزميات التعلم الآلي وعدًا بتحقيق معادلة تكيفية تتعلم استراتيجيات التعويض المثالية من خصائص القناة بدلاً من الاعتماد على هياكل مرشح محددة مسبقًا. حققت العروض التوضيحية المعملية باستخدام المعادلات المستندة إلى الشبكة العصبية- تحسينات بنسبة 15-20% في معامل Q مقارنة بالمعادلات الخطية التقليدية في القنوات شديدة التشتت.

معالجة الإشارات الضوئية-وإجراء عمليات حسابية مباشرة في المجال البصري-يمكن أن تتجاوز قيود السرعة الإلكترونية بالكامل. تتيح جميع عمليات التبديل الضوئية- المعتمدة على تشبع كسب المضخم البصري لأشباه الموصلات تحويل الطول الموجي وتجديد الإشارة دون تحويل كهربائي. يمكن للأدلة الموجية السيليكونية ذات اللاخطية المحسنة من الدرجة الثالثة - إجراء عمليات XOR الضوئية بسرعة 160 جيجابت في الثانية، مما يقترح مسارات لجميع -معالجة الحزم الضوئية.

من المرجح أن يتطلب الانتقال من 1.6T إلى 3.2T وما بعده تحولات أساسية في نهج التعديل. في حين أن تنسيقات QAM ذات الترتيب الأعلى - (256-QAM أو ما بعده) يمكن أن تشفر المزيد من البتات لكل رمز، إلا أنها تتطلب نسب إشارة-إلى-ضوضاء تصبح غير عملية في مصانع الألياف العالمية-الحقيقية. يمثل تشكيل الكوكبة الاحتمالية-تنسيقات تعديل التعديل مع ظروف القناة اللحظية أحد الأساليب الواعدة، على الرغم من أنه يزيد من تعقيد معالجة الإشارة الرقمية بمقدار 2-3x مقارنة بالتعديل الثابت.

 

الأسئلة المتداولة

 

ما هو الغرض الرئيسي من معالجة الإشارات في الوحدات الضوئية؟

تحافظ وظيفة الوحدة البصرية الأساسية على جودة الإشارة طوال مسار الإرسال من خلال تعويض التشوهات واستعادة معلومات التوقيت وتصحيح الأخطاء. وبدون مراحل المعالجة هذه، فإن الإشارات الضوئية سوف تتدهور إلى درجة لا يمكن استرجاعها ضمن بضعة كيلومترات من الألياف، مما يحد من الاتصال العملي على مسافات أقصر بكثير من عشرات أو مئات الكيلومترات النموذجية في الشبكات الحديثة.

كيف يختلف DSP عن دوائر CDR التقليدية؟

تعمل دوائر CDR في المجال التناظري، باستخدام حلقات الطور-المقفلة لاستخراج توقيت الساعة وبيانات إعادة الوقت. يقوم معالج الإشارة الرقمية (DSP) بتنفيذ هذه الوظائف نفسها رقميًا بعد تحويل الإشارات باستخدام محولات تناظرية عالية السرعة-إلى-إلى-رقمية عالية. يتيح النهج الرقمي خوارزميات تعويض أكثر تعقيدًا-معادلات بمئات النقرات، ودعم تعديل متقدم، وتعويضات غير خطية-ولكن على حساب استهلاك طاقة أعلى بشكل ملحوظ.

لماذا يتزايد استهلاك طاقة معالجة الإشارات؟

مقاييس استهلاك الطاقة مع كل من معدل البيانات وتعقيد المعالجة. تتطلب معدلات البيانات الأعلى محولات عينات أسرع وتحديثات مرشح أكثر تكرارًا. تتطلب تنسيقات التعديل المتقدمة مثل PAM4 وQAM المزيد من العمليات الحسابية لكل بت للحفاظ على جودة الإشارة الكافية. تقوم وحدة 1.6T بمعالجة بيانات أكثر بـ 8 مرات من وحدة 200G، لكن طاقة DSP تزيد بحوالي 10-12x بسبب نمو التعقيد الخوارزمي.

هل يمكن للوحدات الضوئية أن تعمل بدون معالجة الإشارات؟

يمكن للوحدات الأساسية ذات السرعة المنخفضة-التي تعمل بأقل من 10 جيجابت في الثانية أن تعمل بأقل قدر من المعالجة-فقط برامج تشغيل الليزر والتضخيم الأساسي. ومع ذلك، تصبح وظيفة الوحدة الضوئية ذات أهمية متزايدة عند السرعات العالية. تتطلب الوحدات ذات التصنيف 25 جيجابت في الثانية وما فوق CDR كحد أدنى، والسرعات التي تزيد عن 100 جيجابت في الثانية تتطلب بشكل متزايد معالج الإشارة الرقمية (DSP) لتحقيق التعادل وتصحيح الأخطاء. يلغي نهج LPO الخاص بـ 800G المعالجة على متن الطائرة ولكنه ينقل هذه الوظائف إلى النظام المضيف.

 

الوجبات السريعة الرئيسية

 

تعمل معالجة إشارات الوحدة الضوئية من خلال ثلاث طبقات متميزة: التحويل المادي، وتكييف الإشارة، والمعالجة الرقمية

تقوم شرائح DSP الحديثة بأكثر من 10 تريليون عملية في الثانية للتعويض عن ضعف نقل الألياف

يتيح تعديل PAM4 معدلات بيانات أعلى ولكنه يقدم إشارة تبلغ 4.8 ديسيبل -إلى-عقوبة الضوضاء التي تتطلب تعويضًا متطورًا

أصبح استهلاك الطاقة عائقًا أساسيًا في التصميم، حيث تستهلك وحدات 400 جيجا 12-15 واط ووحدات 800 جيجا تصل إلى 18-22 واط

يمثل تكامل الضوئيات السيليكون والبصريات المجمعة -الاتجاهات الرئيسية نحو زيادة الكثافة والكفاءة المحسنة

ينمو سوق رقائق DSP للوحدات الضوئية بنسبة 6.8% سنويًا، مع تجاوز الشحنات 20 مليون وحدة في عام 2024

 

مصادر

 

FiberMall - ما هي المكونات الداخلية للوحدة الضوئية (https://www.fibermall.com/blog/what-موجود-داخل-وحدة-وحدة بصرية-module.htm)

مشاركة الألياف الضوئية - استكشاف مسار تقنية الوحدة الضوئية (https://www.fiberopticshare.com/exploring-مسار-مسار-الوحدة-البصرية-technology.html)

FS.com - فهم معالجة الإشارة الرقمية في الوحدات الضوئية المتماسكة (https://www.fs.com/blog/understanding-dsp-في-وحدات-البصرية-المتماسكة-16652.html)

360iResearch - حجم سوق شرائح DSP للوحدة الضوئية ومشاركتها 2025-2030 (https://www.360iresearch.com/library/intelligence/optical-الوحدة-dsp-chip)

Nature - معالجة الإشارات الرقمية القابلة للتعلم لاتصالات الألياف الضوئية (https://www.nature.com/articles/s41377-024-01556-5)

Springer - التقدم في السيليكون-المعتمد على شرائح AOSP القابلة لإعادة التكوين (https://link.springer.com/article/10.1007/s12200-025-00154-6)

أساسيات - نظرة عميقة: سوق الوحدات الضوئية (https://deepfundamental.substack.com/p/deep-التعمق في سوق-الوحدات-البصرية-)

Consegic Business Intelligence - توقعات سوق معالجات الإشارة الرقمية لعام 2025-2032 (https://www.consegicbusinessintelligence.com/digital-signal-سوق المعالجات)