近年來，隨著光纖作為長(zhǎng)距離標(biāo)準(zhǔn)信息載體的發(fā)展，硅光子學(xué)領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。服務(wù)器和客戶端之間的光學(xué)互連顯著提高了數(shù)據(jù)速度，但數(shù)據(jù)中心必須進(jìn)行類似的改進(jìn)，以跟上客戶需求的增長(zhǎng)。

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云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)使得一度令人驚嘆的計(jì)算速度變得平淡無奇。中央計(jì)算為企業(yè)、大學(xué)、個(gè)人和其他將計(jì)算密集型任務(wù)(特別是數(shù)據(jù)挖掘和人工智能)卸載到數(shù)據(jù)中心為處理這些任務(wù)的工作人員提供了可擴(kuò)展的解決方案。

這種情況對(duì)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商試圖超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手和對(duì)計(jì)算能力的需求增長(zhǎng)提出了挑戰(zhàn)。為了配合這種增長(zhǎng)，供應(yīng)商必須對(duì)其服務(wù)器設(shè)置進(jìn)行相當(dāng)大的改進(jìn)，但是當(dāng)今許多消費(fèi)產(chǎn)品中的電子技術(shù)可能不足以滿足對(duì)數(shù)據(jù)中心的需求。

一種全新的用于傳輸和處理信息的媒介是光纖和光子學(xué)。光纖已經(jīng)成為一種新的標(biāo)準(zhǔn)，在消費(fèi)者層面，Google Fiber公司是一家知名的供應(yīng)商。但是在這些光纖的末端，還是面臨眾所周知的最后一英里問題，在電信號(hào)和光信號(hào)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換可能是數(shù)據(jù)中心性能的下一個(gè)重點(diǎn)。

像這里所示的兩個(gè)單模光纜通?？梢詡鞑ケ榷嗄９饫|更遠(yuǎn)的信號(hào)，但其代價(jià)是帶寬較低。單模光纖直徑僅為9微米，適用于跨洋電纜和短距離應(yīng)用。

光纖的歷史

雖然電子學(xué)一直是計(jì)算和有線電信的科學(xué)，但光學(xué)從一開始就是通信技術(shù)的一部分。值得注意的是，1880年由亞歷山大·格雷厄姆·貝爾和查爾斯·薩姆納·泰恩特發(fā)明的第一部無線電話通過調(diào)制光來傳輸聲音。貝爾也獲得了電話的專利，他稱無線光電話是他一生中“最大的成就?！辈⒈硎?，“是我的最偉大的發(fā)明，比電話還偉大?！?/p>

電力是第二次工業(yè)革命的發(fā)展動(dòng)力，而在此之后的幾年里，光纖通信很少受到研究人員和科學(xué)家的關(guān)注。康寧玻璃廠于1970年開發(fā)光纖時(shí)，重新在光通信領(lǐng)域規(guī)劃發(fā)展。僅僅七年之后，光纖就進(jìn)入了大眾市場(chǎng)。

光通信如何發(fā)展

在康寧公司研究開發(fā)將近40年后，目前正在開發(fā)第五代光纖通信技術(shù)。一些研究正在解決第一代光纖研究人員所熟悉的挑戰(zhàn)，但正在開發(fā)的一些科學(xué)技術(shù)是新穎的。

光纖內(nèi)部反射的光，允許透射光的多個(gè)路徑(即“模式”)的光纖(例如這里描述的那些)被稱為多模光纖。它們的接收錐可以很大，使發(fā)光二極管(LED)很容易用于傳輸。單模光纖需要更精確的光發(fā)射，例如來自激光器。

例如，康寧試圖解決與光纖中產(chǎn)生高信號(hào)損失的污染物相關(guān)的問題。

現(xiàn)在，研究人員正致力于通過研究一種稱為干光纖的新材料來擴(kuò)展波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)可以運(yùn)行的波長(zhǎng)范圍。僅這一改進(jìn)就可以使網(wǎng)絡(luò)帶寬增加7倍，其他研究有望進(jìn)一步升級(jí)。研究人員也希望利用光孤子的概念來應(yīng)對(duì)光纖面臨的挑戰(zhàn)，這種方法可能對(duì)第一代光纖科學(xué)家來說是完全陌生的。

目前的通信現(xiàn)狀

英特爾公司于2015年宣布其集成電路(IC)的創(chuàng)新步伐早在2012年開始放緩。該公告引起觀察者的擔(dān)憂，即物理限制將結(jié)束IC上晶體管計(jì)數(shù)倍增的速度，也就是眾所周知的摩爾定律。

記錄IC芯片上的晶體管數(shù)量。晶體管密度加倍的速度是1965年由飛兆半導(dǎo)體研發(fā)部門主管戈登·摩爾首先提出的趨勢(shì)。

技術(shù)部門將感受到如此巨大的變化，處于計(jì)算技術(shù)前沿的機(jī)構(gòu)首先感受到面臨的挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)中心將會(huì)在任何創(chuàng)新的放緩時(shí)第一時(shí)間響應(yīng)。

雖然核心處理器看起來已達(dá)到極限，但網(wǎng)絡(luò)速度仍在不斷增長(zhǎng)。光纖網(wǎng)絡(luò)的普及為提高網(wǎng)絡(luò)速度提供了巨大的機(jī)會(huì)，但新的瓶頸來自這些數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的電子設(shè)備。但是如果光纖不僅可以傳輸信息，而且還可以處理信息，那會(huì)發(fā)生什么情況呢?

應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心的光纖

近年來，隨著光纖作為長(zhǎng)距離標(biāo)準(zhǔn)信息載體的發(fā)展，硅光子學(xué)領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。服務(wù)器和客戶端之間的光學(xué)互連顯著提高了數(shù)據(jù)速度，但數(shù)據(jù)中心必須進(jìn)行類似的改進(jìn)，以跟上客戶需求的增長(zhǎng)。

硅光子學(xué)是滿足這種快速數(shù)據(jù)中心連接需求的可能解決方案。這些光學(xué)鏈路可以是幾十公里到幾厘米長(zhǎng)的任何地方，在標(biāo)尺的每一側(cè)具有不同的信息協(xié)議和物理約束。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，使用光纖實(shí)現(xiàn)高帶寬傳輸會(huì)導(dǎo)致使用單模光纖的高成本。這些光纖的厚度約為8納米，需要昂貴的激光器進(jìn)行傳輸，同樣需要精確的“微光子”電路進(jìn)行信號(hào)處理。

300mm硅光子晶片是用于在使用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)中處理光信號(hào)的光學(xué)電路的一個(gè)例子。

這些組件已經(jīng)投入使用，但面臨廣泛采用的最大挑戰(zhàn)是激光技術(shù)的現(xiàn)狀。不僅必須降低激光器的成本，而且還必須克服將它們安裝在光學(xué)微芯片上的物理障礙。

目前，科學(xué)家們對(duì)于片上或片外激光器是否會(huì)成為標(biāo)準(zhǔn)存在分歧，但開發(fā)具有適當(dāng)熱電性能的粘合劑可能解決爭(zhēng)論。正確的粘合劑解決方案可以實(shí)現(xiàn)具有片上激光器的光學(xué)IC的大規(guī)模生產(chǎn)，并為大規(guī)模采用極低成本的硅光子芯片鋪平了道路。

光纖技術(shù)如何發(fā)展

通過降低無源和有源光學(xué)元件的能耗，研究人員正在為克服光學(xué)電路與芯片的困難進(jìn)行爭(zhēng)論。他們還在繼續(xù)尋找可接受的粘合劑，以實(shí)現(xiàn)片上激光器，并且他們正在努力降低生產(chǎn)和封裝微光子器件的總成本。

研究人員對(duì)光纖傳輸協(xié)議的改進(jìn)的第三個(gè)發(fā)展趨勢(shì)可能是最重要的。這項(xiàng)研究與眾不同，因?yàn)樗歉拍钌系?，而不是物理上的，更類似于?jì)算機(jī)科學(xué)家在開發(fā)高效計(jì)算算法方面熟悉的工作。這種趨勢(shì)不僅降低了創(chuàng)新的成本，而且直接解決了數(shù)據(jù)中心面臨的首要挑戰(zhàn)：計(jì)算能力。通過改進(jìn)光纖系統(tǒng)中的傳輸協(xié)議，研究人員可以通過使數(shù)據(jù)中心內(nèi)部通信盡可能快地解決網(wǎng)絡(luò)瓶頸。

光學(xué)對(duì)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商意味著什么

2006年，英特爾公司高級(jí)副總裁Pat Gelsinger說：“如今，光學(xué)還是一種利基技術(shù)。而在未來，它將是我們構(gòu)建芯片的主流技術(shù)?！笔聦?shí)上，光學(xué)正在迅速成為中央計(jì)算的一個(gè)組成部分。光纖已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和周圍廣泛使用，而且這種趨勢(shì)在未來幾年內(nèi)持續(xù)增長(zhǎng)。為光纖集成準(zhǔn)備數(shù)據(jù)中心可能是許多運(yùn)營(yíng)商最具可擴(kuò)展性的解決方案，直接資助該領(lǐng)域的研究和開發(fā)對(duì)于企業(yè)來說可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。