在當(dāng)今的數(shù)字時(shí)代，數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的需求正以前所未有的速度增長(zhǎng)。這一激增主要?dú)w因于云計(jì)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(tái)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(jìn)展，以擴(kuò)展計(jì)算和存儲(chǔ)服務(wù)，以服務(wù)于未來(lái)的帶寬密集型和計(jì)算密集型應(yīng)用。

硅光子學(xué)

然而，隨著數(shù)據(jù)流量的增長(zhǎng)，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(duì)帶寬、能源效率和可擴(kuò)展性的需求。硅光子學(xué)正是為此而生，它有潛力為光學(xué)行業(yè)帶來(lái)電子級(jí)的成本和規(guī)模，而光學(xué)行業(yè)傳統(tǒng)上專(zhuān)注于較小容量或較長(zhǎng)距離的應(yīng)用，無(wú)法根據(jù)現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的需求進(jìn)行擴(kuò)展。硅光子學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并將在滿足數(shù)據(jù)中心未來(lái)帶寬需求方面發(fā)揮重要作用。

什么是硅光子學(xué)？

硅光子學(xué)是一項(xiàng)尖端技術(shù)，它將激光器、調(diào)制器、探測(cè)器和波導(dǎo)等光學(xué)元件與硅基半導(dǎo)體芯片相結(jié)合。它允許在同一芯片上無(wú)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(xué)因其經(jīng)濟(jì)效益、高集成密度和能源效率而廣受歡迎。

硅光子學(xué)的關(guān)鍵元件

波導(dǎo)：波導(dǎo)是硅光子學(xué)中的關(guān)鍵組件，用于引導(dǎo)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(dǎo)以實(shí)現(xiàn)各種光傳播模式，包括單模和多模。它們對(duì)于在調(diào)制器、檢測(cè)器和多路復(fù)用器/解復(fù)用器等光子組件之間路由光信號(hào)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(qiáng)度、相位或偏振）的設(shè)備。在硅光子學(xué)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(hào)進(jìn)行調(diào)制。這種調(diào)制允許將數(shù)據(jù)編碼到光信號(hào)上，從而實(shí)現(xiàn)高速通信和信號(hào)處理。硅馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器(MZM)和相位調(diào)制器通常用于硅光子學(xué)中的各種應(yīng)用，包括光互連和數(shù)據(jù)傳輸。

探測(cè)器：探測(cè)器是探測(cè)光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的組件。硅光子探測(cè)器通常由鍺(Ge)或磷化銦(InP)等半導(dǎo)體材料制成，這些材料與硅加工工藝兼容。光電探測(cè)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(hào)檢測(cè)。這些探測(cè)器對(duì)于接收和處理各種應(yīng)用中的光學(xué)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(guò)受激發(fā)射產(chǎn)生光輻射的相干光源。硅光子學(xué)中的激光器通常由復(fù)合半導(dǎo)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(xué)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(hào)產(chǎn)生提供可靠而高效的光源。

多路復(fù)用器/多路分解器：多路復(fù)用器和多路分解器是組合或分離不同波長(zhǎng)的多個(gè)光信號(hào)的組件。這些設(shè)備支持波分復(fù)用(WDM)，這種方法允許通過(guò)一條光纜以各種波長(zhǎng)傳輸大量數(shù)據(jù)流。硅光子學(xué)中的多路復(fù)用器和多路分解器通常圍繞波長(zhǎng)選擇性濾波器構(gòu)建，例如陣列波導(dǎo)光柵(AWG)或馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)，它們可以高效準(zhǔn)確地路由和分離光信號(hào)。WDM技術(shù)增加了光通信網(wǎng)絡(luò)的容量和帶寬，從而實(shí)現(xiàn)了更高的數(shù)據(jù)吞吐量和可擴(kuò)展性。

硅光子學(xué)的特點(diǎn)

硅光子學(xué)具有幾個(gè)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(xué)的主要優(yōu)勢(shì)之一是它與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(shí)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(xué)可通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)利用光的固有特性（例如其高帶寬和低延遲），硅光子學(xué)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(jì)算系統(tǒng)。

低功耗：與傳統(tǒng)電子互連相比，硅光子學(xué)具有降低功耗的潛力，尤其是在長(zhǎng)距離傳輸中。與電信號(hào)相比，光信號(hào)的衰減和散射較少，從而減少了信號(hào)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(shí)現(xiàn)了節(jié)能運(yùn)行。

波分復(fù)用(WDM)：硅光子學(xué)支持WDM，這是一種允許使用不同波長(zhǎng)的光通過(guò)單根光纖同時(shí)傳輸多個(gè)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(xué)基礎(chǔ)設(shè)施，從而能夠以最小的干擾在長(zhǎng)距離內(nèi)傳輸和接收多個(gè)數(shù)據(jù)通道。

硅光子學(xué)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，徹底改變了互連基礎(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(jī)和存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠更無(wú)縫地通信。

高性能計(jì)算(HPC)：在HPC環(huán)境中，科學(xué)模擬、天氣預(yù)報(bào)和其他數(shù)據(jù)密集型任務(wù)需要巨大的計(jì)算能力，而硅光子技術(shù)在實(shí)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(guò)提供高速互連和低延遲通信，它可以加速HPC集群和超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能。

人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)：人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)應(yīng)用需要大量數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)資源。硅光子學(xué)通過(guò)允許計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)系統(tǒng)之間快速無(wú)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(xùn)練、推理和數(shù)據(jù)分析的速度，使企業(yè)能夠?qū)崟r(shí)從數(shù)據(jù)中獲得重要見(jiàn)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(jí)增長(zhǎng)，大數(shù)據(jù)分析對(duì)于希望獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的企業(yè)來(lái)說(shuō)變得至關(guān)重要。硅光子學(xué)能夠在數(shù)據(jù)中心快速傳輸大型文件，從而實(shí)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(zhǔn)確性，使企業(yè)能夠獲得有意義的見(jiàn)解并做出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策。

云計(jì)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(fèi)者提供按需計(jì)算能力。硅光子學(xué)通過(guò)實(shí)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(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的性能和可擴(kuò)展性。這提高了云服務(wù)的可靠性、可擴(kuò)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?fù)洌ㄒ环N非阻塞、多級(jí)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(wàn)計(jì)的以太網(wǎng)交換機(jī)，通過(guò)葉脊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將服務(wù)器機(jī)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(gè)或兩個(gè)基于10GbE的網(wǎng)絡(luò)接口控制器，這些控制器在機(jī)架頂部(TOR)交換機(jī)上聚合到40GbE。服務(wù)器和TOR之間的連接通常通過(guò)直連銅纜(DAC)完成，這是在幾米距離內(nèi)以此類(lèi)數(shù)據(jù)速率進(jìn)行連接時(shí)最具成本效益的替代方案。

然而，從TOR到下一層交換機(jī)的上行鏈路幾乎總是光纖。較小的數(shù)據(jù)中心可能會(huì)使用基于VCSEL的收發(fā)器通過(guò)多模光纖。這些40G收發(fā)器結(jié)合了四個(gè)10G激光器，傳輸距離可達(dá)300米。更高層的交換機(jī)互連（葉到主干及以上）通常需要使用單模光纖，因?yàn)榻粨Q機(jī)之間的距離通常超過(guò)300米。

轉(zhuǎn)換趨勢(shì)

當(dāng)今的TOR、葉子和主干交換機(jī)通常是1RU機(jī)箱中的3.2Tb/s以太網(wǎng)交換機(jī)，一些2RU系統(tǒng)提供6.4Tb/s交換機(jī)容量。這些交換機(jī)具有25GSERDES，與100GQSFP28收發(fā)器配合使用效果良好。隨著交換機(jī)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(gè)RU中實(shí)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(gè)MSA來(lái)解決此問(wèn)題：QSFP-DD（DD代表雙密度）和OSFP（O代表八進(jìn)制）。這兩個(gè)MSA都有8個(gè)50GPAM4電氣I/O通道，因此可以處理400G光接口。問(wèn)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(biāo)準(zhǔn)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(huì)導(dǎo)致鏈路預(yù)算大幅減少、由于使用額外IC而導(dǎo)致功耗增加以及復(fù)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(méi)有非冷卻選項(xiàng)，MSA可能會(huì)出現(xiàn)以滿足對(duì)低成本、可制造雙工光纖解決方案的需求。

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