数据中心光纤技术的发展与应用

云计算和大数据等技术使得一度令人惊叹的计算速度变得平淡无奇。中央计算为企业、大学、个人和其他将计算密集型任务(特别是数据挖掘和人工智能)卸载到数据中心为处理这些任务的工作人员提供了可扩展的解决方案。

这种情况对数据中心运营商试图超越竞争对手和对计算能力的需求增长提出了挑战。为了配合这种增长，供应商必须对其服务器设置进行相当大的改进，但是当今许多消费产品中的电子技术可能不足以满足对数据中心的需求。

一种全新的用于传输和处理信息的媒介是光纤和光子学。光纤已经成为一种新的标准，在消费者层面，Google Fiber公司是一家知名的供应商。但是在这些光纤的末端，还是面临众所周知的最后一英里问题，在电信号和光信号之间进行转换可能是数据中心性能的下一个重点。

像这里所示的两个单模光缆通常可以传播比多模光缆更远的信号，但其代价是带宽较低。单模光纤直径仅为9微米，适用于跨洋电缆和短距离应用。

光纤的历史

虽然电子学一直是计算和有线电信的科学，但光学从一开始就是通信技术的一部分。值得注意的是，1880年由亚历山大·格雷厄姆·贝尔和查尔斯·萨姆纳·泰恩特发明的第一部无线电话通过调制光来传输声音。贝尔也获得了电话的专利，他称无线光电话是他一生中“最大的成就。”并表示，“是我的最伟大的发明，比电话还伟大。”

电力是第二次工业革命的发展动力，而在此之后的几年里，光纤通信很少受到研究人员和科学家的关注。康宁玻璃厂于1970年开发光纤时，重新在光通信领域规划发展。仅仅七年之后，光纤就进入了大众市场。

光通信如何发展

在康宁公司研究开发将近40年后，目前正在开发第五代光纤通信技术。一些研究正在解决第一代光纤研究人员所熟悉的挑战，但正在开发的一些科学技术是新颖的。

光纤内部反射的光，允许透射光的多个路径(即“模式”)的光纤(例如这里描述的那些)被称为多模光纤。它们的接收锥可以很大，使发光二极管(LED)很容易用于传输。单模光纤需要更精确的光发射，例如来自激光器。

例如，康宁试图解决与光纤中产生高信号损失的污染物相关的问题。

现在，研究人员正致力于通过研究一种称为干光纤的新材料来扩展波分复用(WDM)系统可以运行的波长范围。仅这一改进就可以使网络带宽增加7倍，其他研究有望进一步升级。研究人员也希望利用光孤子的概念来应对光纤面临的挑战，这种方法可能对第一代光纤科学家来说是完全陌生的。

目前的通信现状

英特尔公司于2015年宣布其集成电路(IC)的创新步伐早在2012年开始放缓。该公告引起观察者的担忧，即物理限制将结束IC上晶体管计数倍增的速度，也就是众所周知的摩尔定律。

记录IC芯片上的晶体管数量。晶体管密度加倍的速度是1965年由飞兆半导体研发部门主管戈登·摩尔首先提出的趋势。

技术部门将感受到如此巨大的变化，处于计算技术前沿的机构首先感受到面临的挑战，数据中心将会在任何创新的放缓时第一时间响应。

虽然核心处理器看起来已达到极限，但网络速度仍在不断增长。光纤网络的普及为提高网络速度提供了巨大的机会，但新的瓶颈来自这些数据中心内部的电子设备。但是如果光纤不仅可以传输信息，而且还可以处理信息，那会发生什么情况呢?

应用在数据中心的光纤

近年来，随着光纤作为长距离标准信息载体的发展，硅光子学领域受到越来越多的关注。服务器和客户端之间的光学互连显著提高了数据速度，但数据中心必须进行类似的改进，以跟上客户需求的增长。

硅光子学是满足这种快速数据中心连接需求的可能解决方案。这些光学链路可以是几十公里到几厘米长的任何地方，在标尺的每一侧具有不同的信息协议和物理约束。从长远来看，使用光纤实现高带宽传输会导致使用单模光纤的高成本。这些光纤的厚度约为8纳米，需要昂贵的激光器进行传输，同样需要精确的“微光子”电路进行信号处理。

300mm硅光子晶片是用于在使用光纤进行数据传输的系统中处理光信号的光学电路的一个例子。

这些组件已经投入使用，但面临广泛采用的最大挑战是激光技术的现状。不仅必须降低激光器的成本，而且还必须克服将它们安装在光学微芯片上的物理障碍。

目前，科学家们对于片上或片外激光器是否会成为标准存在分歧，但开发具有适当热电性能的粘合剂可能解决争论。正确的粘合剂解决方案可以实现具有片上激光器的光学IC的大规模生产，并为大规模采用极低成本的硅光子芯片铺平了道路。

光纤技术如何发展

通过降低无源和有源光学元件的能耗，研究人员正在为克服光学电路与芯片的困难进行争论。他们还在继续寻找可接受的粘合剂，以实现片上激光器，并且他们正在努力降低生产和封装微光子器件的总成本。

研究人员对光纤传输协议的改进的第三个发展趋势可能是最重要的。这项研究与众不同，因为它是概念上的，而不是物理上的，更类似于计算机科学家在开发高效计算算法方面熟悉的工作。这种趋势不仅降低了创新的成本，而且直接解决了数据中心面临的首要挑战：计算能力。通过改进光纤系统中的传输协议，研究人员可以通过使数据中心内部通信尽可能快地解决网络瓶颈。

光学对数据中心运营商意味着什么

2006年，英特尔公司高级副总裁Pat Gelsinger说：“如今，光学还是一种利基技术。而在未来，它将是我们构建芯片的主流技术。”事实上，光学正在迅速成为中央计算的一个组成部分。光纤已经在数据中心内部和周围广泛使用，而且这种趋势在未来几年内持续增长。为光纤集成准备数据中心可能是许多运营商最具可扩展性的解决方案，直接资助该领域的研究和开发对于企业来说可能是一个不错的选择。

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