芯耀
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1966年，高锟博士在理论上证明只要解决光纤纯度问题，就能够利用光纤以低于20dB/km?的损耗高效的传输信息。
自此，光纤通信技术开始了飞速的发展。1970年，按照高锟博士的设想，康宁（Corning）公司成功拉制出了损耗不高于?20dB/km?的光纤。而早在1962?年，作为发射端光源的半导体激光器（Semiconductor Laser）被成功研发，从此，高相干性、低损耗波长的半导体激光器和光纤一起配合使用，标志着光纤通信系统逐渐走向成熟。
一、我国光纤通信发展简史
我国数据中心建设到目前为止可以分为四个阶段。
第一阶段是在?1990?年以前，以政府单位，科研院所为主体，逐步扩展到金融与电信行业自建的数据中心，规模较小，主要用于数据存储与管理。
第二阶段是在?1991?年到?2000?年，互联网业务开始快速发展，电信运营商开始加大数据中心建设力度以满足互联网业务增长带来的带宽，存储等需求。此时的数据中心规模开始变大，等级有所提升。
第三阶段是在?2001?年到?2010?年，信息化的进程逐渐成熟，银行业开始进入大数据时代。以银行为主体的自有数据中心机房开始在全国范围建设，政府电子政务改革也推动着数据中心的建设。数据中心的建设开始朝着大型化，高等级化发展。
第四阶段是2011?年至今，随着通信技术的快速发展，各种新兴业务不断涌现。云计算，物联网，移动互联技术成为新的重点发展产业，各大企业开始积极建设数据中心机房以满足急剧增加的用户需求。
数据中心建设开始面向转型，从以前的资源消耗型转向应用服务型，朝着大型化，集群化，专业化以及绿色化，低碳化的方向发展。尤其是在?2020?年全球爆发新冠肺炎后，数字经济，云办公，大数据分析等业务需求暴增。
二、数据中心未来方向
未来数据中心的发展建设，主要需要面对以下两个问题。
一是未来数据中心建设需要绿色化，需要解决数据中心的能耗问题，数据中心有近一半的成本是在电力能源消耗上。为了追求数据中心低能耗建设，微软在?2018?年将一个装有?864台服务器的数据中心沉入海底，利用海水进行冷却散热，在散热方面的功耗急剧降低，总体成本也显著下降。
在国内，阿里云在杭州千岛湖建设了一座可以容纳超五万台服务器的数据中心，千岛湖年平均气温?17℃，数据中心通过湖水对服务器循环冷却，在制冷的功耗上比传统数据中心降低了超?80%。
华为，腾讯，电信运营商在贵州大力建设数据中心，原因之一就是云贵高原海拔高，自然风资源丰富，气温低，水资源丰富，电价便宜，不处于地震带，成为建设数据中心的优选地点。
二是大型化，建设更加大型体量的数据中心用以解决超大规模的数据处理需求。从全球数据中心的发展角度来看，传统小型规模数据中心的计算能力在?2010?年占所有数据中心计算能力的?79%，然而到?2018?年全球超大规模数据中心已经占据了89%的计算能力。
以美国为例，其超大规模数据中心的规模在全球达到了40%的比例，因此超大规模数据中的建设将会是未来数据中心建设的主要方向之一。
三、数据中心传输方式
下图为数据中心光互联示意图，数据中心光互联包括数据中心内部互联与数据中心之间的互联。数据中心内部光互联的范围一般在几百米的距离内，一些超大规模数据中心内部的传输距离能够达到几公里的范围。
思科公司在2021年全球数据中心的数据流量传输中，71.5%的数据流量传输处理发生在数据中心内部，超过13.6%的数据流量是在数据中心之间的互联中传输处理，如此超大规模的数据传输需要极大数量的光传输设备的支持。
由于城市位置分布，电力供应，业务需求，跨地域容灾备份等不同情况，数据中心之间光互联的传输距离一般从十几公里到几百公里范围不等。
对于具有几十公里甚至数百公里的数据中心之间的光互联，采用的是独立于骨干网的光纤链路。
在上千公里的骨干网传输中，使用相干探测技术已经是毫无争议的，能够利用相干接收机线性检测信号，并借助先进的DSP算法补偿光纤色散，非线性以及偏振色散等损伤，支持高速数据传输。
然而数据中心之间光互联的传输距离跨度为十几公里到几百公里的范围，对于未来大容量数据中心之间的光互联使用?IM/DD?还是相干探测技术是产业界与学术界重点讨论的问题。
第一代光通信系统采用的是多模光纤，多个不同传播系数与群延时的模式在波导内进行全反射，到达接收端的光脉冲由不同延时的信号叠加组成，导致脉冲扩展现象。这种现象在光通信中叫做模式色散，严重限制了光信号在光纤中的传输距离。
在单模光纤中使用单个模式的光源便可以消除模式色散，增加光传输系统的中继距离。
第二代光通信系统通过使用?1310 nm?波长的光源与单模光纤成功抑制了脉冲扩展现象。1987?年，第二代商用的光通信传输系统成功将传输的比特速率从第一代的?45 Mbit/s?提升到了?1.7 Gbit/s，中继距离也增加到了?50 km，系统的速率距离积得到了极大提升。
在1310 nm?波长的单模光纤传输系统中，光纤传输损耗一般在?0.4-0.5 dB/km的范围，因此光传输系统的中继距离仍然受限于光功率。在?1550 nm?波长范围，光纤损耗能够低至?0.2 dB/km，意味着相同发射光功率的信号可以传输更远的距离。
然而，在?1550 nm?波长附近的光传输系统由于光谱窗口的色散过大会导致信号的群延时，带来脉冲展宽的问题。
在单模光纤中，由色散引起的脉冲展宽效应与被调制光源谱线宽的平方成正比。为了减轻脉冲展宽效应对光传输系统性能的影响，减少光谱谱宽是非常有效的方法。
第一二代光通信系统使用的是多纵模的法布里-珀罗（Fabry-Perot，FP）激光器，发出的光谱具有非常宽的多音调频频谱，整个频谱都是基于强度调制的。
虽然使用单模光纤能够消除离散脉冲的模式延迟，但激光器的多纵模式仍会导致一定的脉冲展宽，从而阻止光源工作在零色散波长范围。
四、光纤通信传输方式
按照传输距离和业务承载的不同，自上而下可以将光纤通信网络分为三个层级，它们分别是骨干网，城域网和接入网，如下图所示。
2022?年，占比?72%的全球?IP?流量都是通过内容分发网络（Content Delivery Network, CDN）来完成数据传输的。
绝大部分缓存视频、交互式网络电视或者点击量很高的网页等资源可以通过?CDN?来避免?网络流量过载，从而降低时延，提高网络性能。
为了完成快速响应和降低成本，信息源所在的?CDN?网络会尽量靠近用户侧，也就是部署在互联网交换节点（Internet Exchange Point, IXP）处的数据中心（Data Center, DC）中。
其中2022年占比?57%?数量的?CDN?部署在城域网和边缘核心网中，这些网络中流量都无需经过骨干网，而是直接在数据中心内部或者数据中心之间进行收发。在数据中心内部，存在着成千上万台服务器和交换机。
数据中心内部网络的光互连一般包括两种，即服务器与交换机的互连和交换机之间的互连，连接距离不超过2公里。
在数据中心几乎所有超过一米的网络连接都采用了光互连技术，“铜退光进”是一个非常明显的趋势。
今天的数据中心正从100G向?200G/400G?进行演进，400G之后的以太网速率预计将是?800G和1.6T。
对于不同传输距离、容量、信号质量以及功耗成本要求的光纤通信网络，相应的通信架构和技术有不同的特点。
比如在跨洋海底光纤通信系统中，传输距离达到上万公里，为了应对光信号的衰减，需要配备远供电源设备，并且通过海底光缆的远供导体向海底中继器馈电，从而对光信号进行放大。
海底光缆铺设后会受到船锚和自然灾害（地震、海啸等）等影响，一旦遭到破坏影响极大，修复工作比较困难。因此，对于跨洋海底光纤通信系统来说，铺设海底光缆包括相关供电和保护的成本远远高于收发两端的成本，人们更关心如何利用现有的海底光缆传输链路尽可能的提高传输容量和质量。
而对于数据中心之间和内部的短距光纤通信系统，由于其分布密集、传输容量要求较高以及传输距离短等特点，人们更关心收发两端比如激光器、高速模数转换器以及相关数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）模块的功耗以及成本，而短距光互连场景中光纤资源的成本比较低，所以在短距的应用场景中，如何在尽可能提高传输容量的前提下，去降低每比特传输所需要的功耗和成本就成为了当前较为迫切解决的问题。
五、光纤通信技术演变历程
一般来说，从光纤发明到现在，随着时间的发展，每隔十几年就会有标志性的光纤通信技术的出现，使得传输速率和传输容量大大的增加，按照传输技术的不同，可以划分出四代光纤通信系统。
在1978年左右，人们将波长为850nm的多纵模电注入式半导体激光器作为调制光源，通过基带信号直接控制激光器驱动电流，从而控制激光器输出光功率大小。然后将输出光送入损耗约为3dB/km?的多模光纤（MultiMode Fiber, MMF）进行传输，搭建了第一代商业化光纤通信系统，其传输速率为45Mb/s，光再生跨距为10km。850nm也成为第一代光纤信号的传输波长。然而?850nm?附近的信号受到色散影响较为严重，接收端脉冲的展宽严重限制了通信速率的提升。为了尽可能减小色散的影响，在?1987?年，人们利用多纵模磷化铟激光器输出波长为1310nm的激光作为调制光源，同时利用单模光纤（Single Mode Fiber, SMF）作为传输介质，因为1310nm?波长在单模光纤中传输的色散值约为?0，所以第二代光纤通信系统传输速率增加为?1.7Gb/s，光再生跨距也为?50km。
虽然在1310nm?附近色散造成的脉冲展宽很小，但是没了色散的影响，非线性效应对信号的劣化也逐渐增加，这在长距光纤通信系统尤为突出。
1990年，人们决定宁愿忍受小部分色散，也要降低非线性效应的影响，此外，出于把信号损耗降到更低的考虑，第三代光纤通信系统的传输波长选为损耗更低的1550nm，同时单模光纤的损耗也降低至0.2dB/km，光再生跨距也延伸到?80km。
1987?年，光纤通信历史的标志性事件之一，掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA）被成功研发，全光放大成为现实。
随着?EDFA?和波分复用（Wavelength Division Multiplexing, WDM）技术的配合使用，标志着第四代光纤通信系统的诞生。
在第四代光纤通信中，引入色散补偿光纤（Dispersion Compensated Fiber, DCF）可以在光域上补偿?1550nm?波长信号的色散，使得此波段信号的优势被进一步放大。第四代光纤通信系统利用?DCF?从光域上将色散补偿，可实现?1000km?以上的单个载波波长的?80Gb/s?的传输。
由于具有结构稳定可靠和费用较低的优势，强度调制直接探测（Intensity Modulation and Direct Detection, IM/DD）系统在从?1970?年第一代光纤通信系统开始，到?1996?年第四代光纤通信系统开始，一直被人们所青睐。
然而，随着通信速率的进一步提升，较低的频谱效率和色散引起的功率选择性衰落成为?IM/DD?难以解决的问题，自此，人们开始把目光投向相干光通信系统。
好了，关于光纤通信芯片技术就介绍到这儿，欢迎关注《半导体全解》，带你了解更多半导体技术！
参考文献：
(1)朱明月 面向城域数据中心之间光互联的高速光纤传输系统研究[D].
(2)王力 面向数据中心光互连的简化相干技术研究[D].
(3)NVIDIA 黄仁勋GTC演讲[C].
(4)贺健 面向数据中心400G光互连高速驱动芯片的研究[D].
(5)尹悦鑫 三维混合集成光交叉的研究[D].
