关于数据中心集成光子学的知识

数据中心在存储、处理和管理大量数据方面发挥着重要作用。集成光子学利用光来传输数据，与传统的电子元件相比，它提供了高带宽和更高的能源效率。本文讨论了集成光子元件的背景、在数据中心中的应用以及最近的相关研究。

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什么是集成光子学?

集成光子学包括制造和集成各种光子元件，如干涉仪，偏振器，耦合器，光栅，分束器等，到一个共享的平面衬底上。这些组件是构建更复杂平面器件的基础元件，可实现光通信系统、仪器仪表和传感器技术的各种功能。

集成光子学结合了光学和电子学，创造了紧凑的集成光学电路，依靠光子操纵来传输和处理信息。例如，在数据中心，快速数据传输是至关重要的，集成光子学提供了一个令人信服的替代传统的基于铜的互连。集成光子学背景简介

集成光子学的发展跨越了三十年，从早期的二维光波导到20世纪70年代中期的三维结构。20世纪80年代中期，AT&T贝尔实验室在铌酸锂(LiNbO3)方面的开创性发展导致了集成强度调制器和多达50个开关的光子芯片。随着单模光纤系统的发展，这种需求在20世纪80年代激增。在接下来的几十年里，聚合物、玻璃和半导体等各种材料扩大了先进集成光子器件的市场，满足了21世纪不断增长的数据传输需求。

集成光子学在数据中心中的应用

光互连正在取代传统的基于铜的电缆，因为它们促进了服务器、存储设备和网络设备之间的数据快速交换，提供更高的数据速率，提高了可靠性，增强了数据中心的整体性能。同样，利用集成光子学的数据中心中的光交换机也正在取代传统的电子交换机，因为光交换机使数据的快速路由没有与电子交换机相关的瓶颈，从而提高了网络的可扩展性并减少了数据中心内资源的争用。

集成光子学也用于光子处理器，与电子处理器相比，光子处理器具有显著提高处理速度和降低功耗的潜力。

近期研究

MEMS技术推动数据中心光子学发展

在2023年的一项研究中，研究人员介绍了一种硅光子微机电系统(MEMS)平台，该平台将高性能纳米光电机电设备与标准硅光子代工组件集成在一起。该技术展示了长期可靠性的晶圆级密封，重新分配中间层的倒装芯片连接，以及高端口计数光学和电气接口的光纤阵列连接。MEMS技术克服了传统硅光子学的局限性，实现了紧凑、低损耗、宽带和低功耗的元件。

该研究展示了基本的硅光子MEMS电路元件，如功率耦合器，移相器和波分复用器件，为大规模光子集成电路铺平了道路。硅光子MEMS的应用包括量子计算、可编程光子学、传感、神经形态计算和电信，以满足数据中心对高速收发器日益增长的需求。

2.5D数据中心集成光子学

在另一项关于数据中心集成光子学的研究中，研究人员开发了一种2.5D集成多芯片模块(MCM)，用于4通道波分复用(WDM)微磁盘调制，目标是每通道10 Gbps。硅光子收发器设计利用硅中间层在光子集成电路(PIC)和商用跨阻放大器(tia)之间建立连接。

该研究演示了光子裸晶片在10 Gbps和- 16 dBm接收功率下的无错误调制，以及MCM收发器在6 Gbps和- 15 dBm接收功率下的无错误调制。研究人员讨论了各种集成方法，包括单片、2D、3D和2.5D，并强调了值得注意的演示。未来的原型包括定制电子集成电路(eic)，以增强高性能数据中心的功能和可扩展性。该研究强调了硅光子学与驱动电子的协集成对于优化数据中心性能的重要性。

集成光子学在数据中心中的优势与挑战

集成光子学在数据中心中具有高带宽、低延迟、高能效、紧凑设计和提高信号完整性等优点。例如，光信号不受电磁干扰，可以以比电信号更高的速度传输数据，从而可以无缝地处理数据中心生成和处理的大量数据。集成光子学还允许通过在单个芯片上创建紧凑和密集的光学组件来实现小型化，从而节省数据中心内的物理空间并增强基础设施的可扩展性。尽管集成光子学在数据中心革命中发挥了作用，但与现有电子基础设施集成等挑战带来了技术和兼容性问题。此外，集成光子元件的制造成本是另一个令人担忧的问题，尽管制造工艺的进步正在逐渐解决这个问题。

总之，集成光子学为数据中心提供了一种变革性的解决方案，提供高带宽、能源效率和紧凑的设计。尽管它们具有优势，但与现有电子基础设施的集成和制造成本等挑战仍然需要解决。然而，随着数据中心努力跟上数据驱动世界不断增长的需求，集成光子逐渐成为一种必需品。

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参考文献及深入阅读

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布鲁姆，R.(2020)。集成硅光子学用于大容量数据中心应用。光学互联。https://doi.org/10.1117/12.2550326

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Quack, N., Takabayashi, A. Y., Sattari, H., Edinger, P., Jo, G., Bleiker, S. J., ... & Bogaerts, W. (2023). Integrated silicon photonic MEMS. Microsystems & Nanoengineering. https://doi.org/10.1038/s41378-023-00498-

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