近年來，隨著光纖作為長距離標準信息載體的發(fā)展，硅光子學領域受到越來越多的關注。服務器和客戶端之間的光學互連顯著提高了數據速度，但數據中心必須進行類似的改進，以跟上客戶需求的增長。
圖片來源：圖蟲創(chuàng)意
云計算和大數據等技術使得一度令人驚嘆的計算速度變得平淡無奇。中央計算為企業(yè)、大學、個人和其他將計算密集型任務(特別是數據挖掘和人工智能)卸載到數據中心為處理這些任務的工作人員提供了可擴展的解決方案。
這種情況對數據中心運營商試圖超越競爭對手和對計算能力的需求增長提出了挑戰(zhàn)。為了配合這種增長，供應商必須對其服務器設置進行相當大的改進，但是當今許多消費產品中的電子技術可能不足以滿足對數據中心的需求。
一種全新的用于傳輸和處理信息的媒介是光纖和光子學。光纖已經成為一種新的標準，在消費者層面，Google Fiber公司是一家知名的供應商。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，在電信號和光信號之間進行轉換可能是數據中心性能的下一個重點。
像這里所示的兩個單模光纜通?？梢詡鞑ケ榷嗄９饫|更遠的信號，但其代價是帶寬較低。單模光纖直徑僅為9微米，適用于跨洋電纜和短距離應用。
光纖的歷史
雖然電子學一直是計算和有線電信的科學，但光學從一開始就是通信技術的一部分。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家的關注?？祵幉ＡS于1970年開發(fā)光纖時，重新在光通信領域規(guī)劃發(fā)展。僅僅七年之后，光纖就進入了大眾市場。
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。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)的一些科學技術是新穎的。
光纖內部反射的光，允許透射光的多個路徑(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生高信號損失的污染物相關的問題。
現在，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展波分復用(WDM)系統(tǒng)可以運行的波長范圍。僅這一改進就可以使網絡帶寬增加7倍，其他研究有望進一步升級。研究人員也希望利用光孤子的概念來應對光纖面臨的挑戰(zhàn)，這種方法可能對第一代光纖科學家來說是完全陌生的。
目前的通信現狀
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憂，即物理限制將結束IC上晶體管計數倍增的速度，也就是眾所周知的摩爾定律。
記錄IC芯片上的晶體管數量。晶體管密度加倍的速度是1965年由飛兆半導體研發(fā)部門主管戈登·摩爾首先提出的趨勢。
技術部門將感受到如此巨大的變化，處于計算技術前沿的機構首先感受到面臨的挑戰(zhàn)，數據中心將會在任何創(chuàng)新的放緩時第一時間響應。
雖然核心處理器看起來已達到極限，但網絡速度仍在不斷增長。光纖網絡的普及為提高網絡速度提供了巨大的機會，但新的瓶頸來自這些數據中心內部的電子設備。但是如果光纖不僅可以傳輸信息，而且還可以處理信息，那會發(fā)生什么情況呢?
應用在數據中心的光纖
近年來，隨著光纖作為長距離標準信息載體的發(fā)展，硅光子學領域受到越來越多的關注。服務器和客戶端之間的光學互連顯著提高了數據速度，但數據中心必須進行類似的改進，以跟上客戶需求的增長。
硅光子學是滿足這種快速數據中心連接需求的可能解決方案。這些光學鏈路可以是幾十公里到幾厘米長的任何地方，在標尺的每一側具有不同的信息協議和物理約束。從長遠來看，使用光纖實現高帶寬傳輸會導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行傳輸，同樣需要精確的“微光子”電路進行信號處理。
300mm硅光子晶片是用于在使用光纖進行數據傳輸的系統(tǒng)中處理光信號的光學電路的一個例子。
這些組件已經投入使用，但面臨廣泛采用的最大挑戰(zhàn)是激光技術的現狀。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微芯片上的物理障礙。
目前，科學家們對于片上或片外激光器是否會成為標準存在分歧，但開發(fā)具有適當熱電性能的粘合劑可能解決爭論。正確的粘合劑解決方案可以實現具有片上激光器的光學IC的大規(guī)模生產，并為大規(guī)模采用極低成本的硅光子芯片鋪平了道路。
光纖技術如何發(fā)展
通過降低無源和有源光學元件的能耗，研究人員正在為克服光學電路與芯片的困難進行爭論。他們還在繼續(xù)尋找可接受的粘合劑，以實現片上激光器，并且他們正在努力降低生產和封裝微光子器件的總成本。
研究人員對光纖傳輸協議的改進的第三個發(fā)展趨勢可能是最重要的。這項研究與眾不同，因為它是概念上的，而不是物理上的，更類似于計算機科學家在開發(fā)高效計算算法方面熟悉的工作。這種趨勢不僅降低了創(chuàng)新的成本，而且直接解決了數據中心面臨的首要挑戰(zhàn)：計算能力。通過改進光纖系統(tǒng)中的傳輸協議，研究人員可以通過使數據中心內部通信盡可能快地解決網絡瓶頸。
光學對數據中心運營商意味著什么
2006年，英特爾公司高級副總裁Pat Gelsinger說：“如今，光學還是一種利基技術。而在未來，它將是我們構建芯片的主流技術?！笔聦嵣?，光學正在迅速成為中央計算的一個組成部分。光纖已經在數據中心內部和周圍廣泛使用，而且這種趨勢在未來幾年內持續(xù)增長。為光纖集成準備數據中心可能是許多運營商最具可擴展性的解決方案，直接資助該領域的研究和開發(fā)對于企業(yè)來說可能是一個不錯的選擇。
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