数据中心光纤带宽，有望突破

铜缆一直是AI和HPC数据中心内部数据传输的主力，但光纤正紧随其后。

光学技术带来了三种可能的带宽倍增器——波分复用（WDM）、不同模式（modes）的利用以及偏振（polarization）。每种技术在长距离光链路中都扮演着角色，但在数据中心内的权衡则有所不同。其中，WDM似乎有望大幅提升带宽，而其他选项则更难实现，且目前可能并非必要。

带宽倍增器

最简单的光信号是经过传输前调制的相干激光束。在这种设置下，带宽由调制决定。光束作为信号的载波，其本身具有独立于带宽的频率。

与电子学中时钟频率为王不同，光学行业引用的是其倒数——波长，通常称为lambda（λ）。特定光纤实现的lambda选择既要考虑与激光源的兼容性，也要考虑在该lambda下的传输特性，因为各种损耗机制都与波长相关。严格来说，lambda与带宽无关，就像调幅（AM）或调频（FM）收音机中载波频率与内容频率无关一样。

基于此，三种现象可以使带宽乘以某个整数：

1. WDM在单根光纤中，于多个lambda上复制此设置。“在同一根光纤中，你可以塞进更多的比特，”新思科技（Synopsys）接口IP产品管理总监Priyank Shukla解释说。“你不再需要多根并行光纤。”这在不同颜色（波长）的光上创建了不同的通道，倍增器就是所用颜色的数量。

2. 光在某些光纤中可以以不同的模式“振动”，就像吉他弦、小号或克拉尼板一样。如果不同模式可以被独立调制，那么每个模式就成为一个通道。带宽随后乘以所用模式的数量。

3. 光存在两种可能的偏振，称为横电（TE）和横磁（TM）。如果每种偏振被单独调制，可以使带宽加倍。

模式与偏振的复杂性

使用模式需要多模光纤，其直径（> 50µm）比单模光纤（~10µm）大。更大的“管道”允许更多模式传播。因为光纤更大，将光耦合进出也更容易，因此可以使用成本较低的激光源和接收器。这在数据中心有时会用于超短距离链路，使用VCSEL作为光源。

但这些模式并非相互独立。“如果我将光射入多模光纤并让它传播很长一段时间，在许多微扰和环境相互作用下，光在该光纤空间模式中的分布最终将遵循玻色-爱因斯坦分布，不同模式之间会发生耦合和散射，”Lightmatter首席执行官Nick Harris解释说。“因此，如果我非常仔细地在这些模式中编码了信号，我实际上是把它们全部打乱了，而且我不知道如何复原。”

这表明，WDM是一种更稳健的方式来提升带宽，而不会在一定距离后将信号变得混乱不堪。

与此同时，偏振也存在类似问题。特别是，TE和TM信号的传播速度不同，给接收端带来了挑战。“大多数光学系统都不是偏振无关的，”Volantis Semiconductor创始人兼首席执行官Tapa Ghosh说。“波导肯定不是。TE和TM模式有不同的传播偏振方向、不同的损耗和不同的折射率。”

Harris补充说：“当你在全国或海底铺设光纤时，你会想用这些极端的复用技术，因为那根光纤贵得离谱。”但在数据中心，光纤既便宜又充足，使用模式和偏振的额外复杂性很难自圆其说。

WDM变得更容易

过去，WDM在数据中心很大程度上被弃用，部分原因是实现成本高昂。每个颜色都需要自己的激光器，并且需要将来自每个激光器的光馈入同一根光纤。

如今，微环谐振器（micro-ring resonators）的出现成为调制和解调WDM信号中各个颜色的有效手段。这些环很小，每个都可以被调谐到不同的颜色。

“我们使用微环调制器，”Harris说。“该调制器服务于两个目的。它既完成了复用和解复用，也对数据进行了编码。所以你不需要一个单独的复用器和解复用器。它已经内置在执行调制的器件中了。”

在发收端，一束包含多种颜色的未调制连续波光束经过微环。每个微环从主光束中“提取”其对应的颜色，对该颜色进行调制，然后再将其放回光束中。因此，它们同时执行了调制和复用功能。

在接收端，调制后的信号经过微环，每个环从接收到的光束中拉出其对应的颜色。因此，微环起到了解复用WDM光束的作用，将每个信号发送到其适当的目的地。

这种布局使得数据传输功耗更低。“整个链路，包括激光器、SerDes和所有Lightmatter的光子器件，功耗总计为4.6 pJ/比特，”Harris说。“而可插拔收发器的功耗为15到20 pJ/比特，这意味着总功耗节省了3到4倍。”

激光器稳定性与共封装光学（CPO）

WDM面临的挑战之一与激光器相对于温度的稳定性有关。典型的装置为每种颜色配备独立的激光器，但每个激光器都可能独立漂移。为此，通道波长窗口中包含保护带以防止颜色相互干扰。

尽管梳状激光器（Comb lasers）曾被讨论为一种解决方案，但其转换效率较低。更可行的方法是主动控制和稳定独立的激光器以减少其漂移。

这也影响了激光器的放置位置。目前，大多数共封装光学（CPO）的观点都将激光器安装在封装外部，通过将其与封装内裸片的热量隔离来提高其稳定性，并使其在失效时易于更换。一根光纤将激光引入封装。这种方案对WDM很有效，因为所有颜色都来自单根光纤。

如果CPO最终将激光源置于封装内部，WDM将变得困难得多。这可能成为将激光器保持在外部的另一个原因。

未来展望

用于数据中心的WDM正在积极设计中，预计将于2027年或2028年部署。尽管它可以应用于任何数据中心工作负载，但目前主要对HPC和AI有意义。WDM已经在8个颜色上得到验证，公司正准备实现16个颜色，这意味仅凭WDM就能带来十六倍的带宽跃升。因此，模式和偏振目前并非真正必要。

与此同时，铜缆的设计仍然更容易，因为大多数设计工具专注于硅和金属，而非光子学。高质量的光子设计需要配置波导和光子元件，并验证通过波导的信号质量。WDM意味着要在同一波导中验证多个信号，而不只一个。

“我们正越来越多地开发能够让我们在光子侧进行设计，同时考虑到电子学的工具，”现隶属于新思科技的Ansys应用工程高级经理Sandra Gely说。

模式和偏振当然可以进一步提升光学带宽，但WDM已经争取了大量的喘息空间。如果WDM的潜力耗尽，其他倍增器或许将有机会大放异彩。