在當今的數(shù)字時代，數(shù)據(jù)處理和存儲的需求正增長。這一激增主要歸因于云計算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等新興技術(shù)的發(fā)展。超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心是容納數(shù)千臺服務(wù)器的大型設(shè)施，已成為數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。數(shù)據(jù)中心需要在光通信方面取得重大進展，以擴展計算和存儲服務(wù)，以服務(wù)于未來的帶寬密集型和計算密集型應(yīng)用。
硅光子學
然而，隨著數(shù)據(jù)流量的增長，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)解決方案難以滿足這些數(shù)據(jù)中心對帶寬、能源效率和可擴展性的需求。硅光子學正是為此而生，它有潛力為光學行業(yè)帶來電子級的成本和規(guī)模，而光學行業(yè)傳統(tǒng)上專注于較小容量或較長距離的應(yīng)用，無法根據(jù)現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的需求進行擴展。硅光子學已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，并將在滿足數(shù)據(jù)中心未來帶寬需求方面發(fā)揮重要作用。
什么是硅光子學？
硅光子學是一項技術(shù)，它將激光器、調(diào)制器、探測器和波導等光學元件與硅基半導體芯片相結(jié)合。它允許在同一芯片上無縫集成光子和電子功能，從而大大提高數(shù)據(jù)通信和處理能力。硅光子學因其經(jīng)濟效益、高集成密度和能源效率而廣受歡迎。
硅光子學的關(guān)鍵元件
波導：波導是硅光子學中的關(guān)鍵組件，用于引導和限制沿特定路徑傳輸?shù)墓?。這些結(jié)構(gòu)通常構(gòu)建在硅基板上，材料包括二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)。根據(jù)應(yīng)用要求，可以構(gòu)建波導以實現(xiàn)各種光傳播模式，包括單模和多模。它們對于在調(diào)制器、檢測器和多路復用器/解復用器等光子組件之間路由光信號至關(guān)重要。
調(diào)制器：調(diào)制器是用于調(diào)制光的屬性(例如其強度、相位或偏振)的設(shè)備。在硅光子學中，調(diào)制器通?；陔姽庑?yīng)，其中材料的折射率根據(jù)施加的電信號進行調(diào)制。這種調(diào)制允許將數(shù)據(jù)編碼到光信號上，從而實現(xiàn)高速通信和信號處理。硅馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)和相位調(diào)制器通常用于硅光子學中的各種應(yīng)用，包括光互連和數(shù)據(jù)傳輸。
探測器：探測器是探測光信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號的組件。硅光子探測器通常由鍺(Ge)或磷化銦(InP)等半導體材料制成，這些材料與硅加工工藝兼容。光電探測器(例如pin二極管或雪崩光電二極管(APD))被廣泛用于高靈敏度和高效的光信號檢測。這些探測器對于接收和處理各種應(yīng)用中的光學數(shù)據(jù)至關(guān)重要，包括光通信系統(tǒng)、傳感和成像。
激光器：激光器是通過受激發(fā)射產(chǎn)生光輻射的相干光源。硅光子學中的激光器通常由復合半導體材料制成，例如磷化銦(InP)或砷化鎵(GaAs)，這些材料集成在硅基板上。硅光子學系統(tǒng)可以整合各種激光器，包括分布式反饋(DFB)激光器、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)和環(huán)形激光器，為光通信、傳感和信號產(chǎn)生提供可靠而高效的光源。
多路復用器/多路分解器：多路復用器和多路分解器是組合或分離不同波長的多個光信號的組件。這些設(shè)備支持波分復用(WDM)，這種方法允許通過一條光纜以各種波長傳輸大量數(shù)據(jù)流。硅光子學中的多路復用器和多路分解器通常圍繞波長選擇性濾波器構(gòu)建，例如陣列波導光柵(AWG)或馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)，它們可以高效準確地路由和分離光信號。WDM技術(shù)增加了光通信網(wǎng)絡(luò)的容量和帶寬，從而實現(xiàn)了更高的數(shù)據(jù)吞吐量和可擴展性。
硅光子學的特點
硅光子學具有幾個關(guān)鍵特性，使其成為適用于各種應(yīng)用的有吸引力的技術(shù)：
集成：硅光子學的主要優(yōu)勢之一是它與互補金屬氧化物半導體(CMOS)制造工藝兼容。這種兼容性使得光子和電子元件能夠集成在同一硅基板上，從而實現(xiàn)高度集成的片上系統(tǒng)(SoC)。這種集成可以縮小尺寸、降低功耗并降低制造成本。
高速數(shù)據(jù)傳輸：硅光子學可通過光纖實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。通過利用光的固有特性(例如其高帶寬和低延遲)，硅光子學可以支持每秒千兆位到太比特的數(shù)據(jù)速率。這使其非常適合需要高速通信的應(yīng)用，例如數(shù)據(jù)中心、電信網(wǎng)絡(luò)和高性能計算系統(tǒng)。
低功耗：與傳統(tǒng)電子互連相比，硅光子學具有降低功耗的潛力，尤其是在長距離傳輸中。與電信號相比，光信號的衰減和散射較少，從而減少了信號放大和再生的需要。此外，光子元件與CMOS電子設(shè)備的集成利用現(xiàn)有的電源管理技術(shù)，實現(xiàn)了節(jié)能運行。
波分復用(WDM)：硅光子學支持WDM，這是一種允許使用不同波長的光通過單根光纖同時傳輸多個數(shù)據(jù)流的技術(shù)。這可以提高數(shù)據(jù)吞吐量并有效利用光學基礎(chǔ)設(shè)施，從而能夠以最小的干擾在長距離內(nèi)傳輸和接收多個數(shù)據(jù)通道。
硅光子學在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用
光互連：光互連取代了數(shù)據(jù)中心中傳統(tǒng)的銅基鏈路，改變了互連基礎(chǔ)設(shè)施。這些光網(wǎng)絡(luò)提供更大的帶寬、更低的延遲和更高的能效，使服務(wù)器、交換機和存儲系統(tǒng)能夠更無縫地通信。
高性能計算(HPC)：在HPC環(huán)境中，科學模擬、天氣預(yù)報和其他數(shù)據(jù)密集型任務(wù)需要巨大的計算能力，而硅光子技術(shù)在實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸和處理方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過提供高速互連和低延遲通信，它可以加速HPC集群和超級計算機的性能。
人工智能(AI)和機器學習(ML)：人工智能(AI)和機器學習(ML)應(yīng)用需要大量數(shù)據(jù)和計算機資源。硅光子學通過允許計算節(jié)點和存儲系統(tǒng)之間快速無縫地共享數(shù)據(jù)，提高了AI和ML工作流程的生產(chǎn)力。這加快了模型訓練、推理和數(shù)據(jù)分析的速度，使企業(yè)能夠?qū)崟r從數(shù)據(jù)中獲得重要見解。
大數(shù)據(jù)分析：隨著社交媒體、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和在線交易產(chǎn)生的數(shù)據(jù)呈指數(shù)級增長，大數(shù)據(jù)分析對于希望獲得競爭優(yōu)勢的企業(yè)來說變得至關(guān)重要。硅光子學能夠在數(shù)據(jù)中心快速傳輸大型文件，從而實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)處理和分析。這提高了大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的速度和準確性，使企業(yè)能夠獲得有意義的見解并做出數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策。
云計算：云服務(wù)企業(yè)依靠超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心為全球消費者提供按需計算能力。硅光子學通過實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸和更高效的資源利用，提高了云計算基礎(chǔ)設(shè)施的性能和可擴展性。這提高了云服務(wù)的可靠性、可擴展性和成本效益。
超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)
數(shù)據(jù)中心內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通?；贑los拓撲(一種非阻塞、多級交換架構(gòu)，可減少所需的端口數(shù)量)，而超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心通常具有數(shù)以萬計的以太網(wǎng)交換機，通過葉脊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將服務(wù)器機架互連。
現(xiàn)在，典型的數(shù)據(jù)中心在服務(wù)器上部署了一個或兩個基于10GbE的網(wǎng)絡(luò)接口控制器，這些控制器在機架頂部(TOR)交換機上聚合到40GbE。服務(wù)器和TOR之間的連接通常通過直連銅纜(DAC)完成，這是在幾米距離內(nèi)以此類數(shù)據(jù)速率進行連接時具成本效益的替代方案。
然而，從TOR到下一層交換機的上行鏈路幾乎總是光纖。較小的數(shù)據(jù)中心可能會使用基于VCSEL的收發(fā)器通過多模光纖。這些40G收發(fā)器結(jié)合了四個10G激光器，傳輸距離可達300米。更高層的交換機互連(葉到主干及以上)通常需要使用單模光纖，因為交換機之間的距離通常超過300米。
轉(zhuǎn)換趨勢
當今的TOR、葉子和主干交換機通常是1RU機箱中的3.2Tb/s以太網(wǎng)交換機，一些2RU系統(tǒng)提供6.4Tb/s交換機容量。這些交換機具有25GSERDES，與100GQSFP28收發(fā)器配合使用效果良好。隨著交換機從3.2T/6.4T發(fā)展到12.8T，線路速率將增加到50GSERDES和PAM4調(diào)制。在這些數(shù)據(jù)速率下，需要使用50G電氣I/O的新收發(fā)器。
為了在單個RU中實現(xiàn)12.8T的交換容量，需要使用與QSFP外形尺寸相似的400G收發(fā)器，并且已經(jīng)建立了兩個MSA來解決此問題：QSFP-DD(DD代表雙密度)和OSFP(O代表八進制)。這兩個MSA都有8個50GPAM4電氣I/O通道，因此可以處理400G光接口。問題在于確定哪種光接口適合400G數(shù)據(jù)中心連接。
IEEE已將DR4接口標準化，該接口與100GPSM4相同，但在四條并行光纖上使用100GPAM4光調(diào)制而不是25GNRZ。使用PAM4調(diào)制會導致鏈路預(yù)算大幅減少、由于使用額外IC而導致功耗增加以及復雜性增加，但它允許利用已為100GPSM4構(gòu)建的現(xiàn)有光纖基礎(chǔ)設(shè)施。目前雙工光纖沒有非冷卻選項，MSA可能會出現(xiàn)以滿足對低成本、可制造雙工光纖解決方案的需求。
