解鎖AI未來(lái)：光電共封裝（CPO）光纖基礎設施的優(yōu)化方式

  我們驚嘆于人工智能（AI）帶來(lái)的無(wú)限可能，但是我們往往卻忽略了AI所需的數據處理能力和組件。本文中，作者將闡述在設計和部署光電共封裝的光纖基礎設施時(shí)，用戶(hù)應該考慮的因素。

  什么是光電共封裝？

  光電共封裝（Co-packaged Optics，簡(jiǎn)稱(chēng)CPO）是通過(guò)將交換系統或處理系統中的光學(xué)器件和電子元件封裝在一起，以提升數據中心網(wǎng)絡(luò )和處理帶寬、密度和功效的一種技術(shù)架構。CPO能夠通過(guò)提高數據傳輸速度和數據密度、降低延時(shí)，并提高系統的整體功效，從而推動(dòng)人工智能的大幅提升。

  光纖的可靠性非常重要

  大量采用CPO的用戶(hù)面臨一項重要挑戰，就是他們需要避免在系統組裝的過(guò)程中出現光纖損壞或故障，因為這會(huì )影響整個(gè)CPO系統的可靠性。如果一條或多條光纖束的玻璃表面出現拉伸裂紋、劃痕或劃傷，將會(huì )削弱光纖性能，這可能導致相關(guān)光路出現故障。由于在裸玻璃內部，即使是最輕微的接觸也可能導致故障，影響光纖的使用壽命，因此，我們需要使用高強度的聚合物涂層來(lái)隔離玻璃表面。

  導致光纖應力的最常見(jiàn)的原因是彎曲。因此，設計人員在CPO交換機或處理盒內布置光纖基礎設施時(shí)，必須考慮彎曲配置對光損耗及光路可靠性的影響。無(wú)論是從質(zhì)量還是數量上來(lái)說(shuō)，康寧生產(chǎn)的硅基玻璃光纖都是一種可靠的解決方案?？祵庍M(jìn)行了大量測試來(lái)確定強度分布。正如白皮書(shū)中所述，光纖故障率會(huì )隨著(zhù)彎曲半徑的減小而迅速增加。對于使用大量光纖的系統（如采用平行光學(xué)的高帶寬交換機）而言，了解這一因素尤為重要，因為這是對光纖可靠性造成累加影響的關(guān)鍵因素。

  下面展示了專(zhuān)為CPO光纖基礎設施而設計的光纖帶管理設備的概念（見(jiàn)圖1）。它提供了松弛管理能力，可實(shí)現實(shí)際的光纜長(cháng)度公差，這種機制可通過(guò)控制光纖帶的彎曲半徑來(lái)避免過(guò)度彎曲，并通過(guò)堆疊來(lái)滿(mǎn)足大芯數光纖配置的要求。

圖1：CPO光纖帶部署概念，能夠管理因制造誤差或使用單一光纖帶跳線(xiàn)長(cháng)度連接不同路徑而產(chǎn)生的松弛。

  我們利用可靠性數據和模型計算出了部署在儲線(xiàn)器中不同芯數光纖帶的五年故障率。在此類(lèi)儲線(xiàn)器中，最小彎曲半徑由內置法蘭來(lái)設置。圖2所示曲線(xiàn)圖顯示，在彎曲半徑一定的情況下，光纖斷裂的概率隨著(zhù)光纖盒內光纖數量的增加而增加。

圖2：在不同光纖帶數量和不同儲線(xiàn)器設計半徑的情況下的模擬故障率（這里的故障是指至少有一根光纖斷裂）。虛線(xiàn)表示1-FIT概率水平。

  CPO盒內的光纖布局設計必須考慮光纖應力極限和光纖涂層的熱環(huán)境，以確保對光纖的保護、可靠性和使用壽命。標準光纖涂層可承受CPO組件操作環(huán)境下的預期高溫。盡管市場(chǎng)上有專(zhuān)用高溫涂層，但我們仍應當避免潛在的發(fā)熱點(diǎn)，以消除涂層退化的風(fēng)險。因此，設計人員應考慮使用間隔器或路由硬件，以確保光纖基礎設施始終處于一個(gè)適宜的微環(huán)境中。

  涂層所處的機械環(huán)境也是一個(gè)重要的考慮因素，因為一旦涂層喪失完整性，可能會(huì )導致玻璃表面損壞，從而影響光纖的使用壽命。因此，必須避免擠壓、磨損和劃傷，以防止涂層失效。

  此外，應避免將光纖排布在粗糙或尖銳的物體表面，或將其穿過(guò)狹窄的開(kāi)口，否則隨著(zhù)時(shí)間的推移，加之機械沖擊和振動(dòng)，可能會(huì )導致光路損壞并最終出現故障。光纖連接的應力消除結構必須遵守制造商規定的光纖及其封裝（光纜和光纖帶等）應力限制。

  可靠的光纖該如何設計與處理？

  服務(wù)器機架內的光纖配置設計對CPO系統的性能、使用壽命和可靠性有著(zhù)至關(guān)重要的影響?？茖W(xué)的設計原則包括：盡可能避免不同光纖組件的交織或纏繞（圖3）；確保每個(gè)光纖組件都易于接近；提供清晰的基礎構架作業(yè)路徑，以最大限度地降低光纖纏繞或被擠壓的風(fēng)險。

圖 3：光纖路由示例，光纖盒內不存在纏繞的情況（圖片由Micas Networks公司提供）

  在實(shí)施階段，也就是在CPO系統內部署光纖基礎設施的過(guò)程中，必須避免可能影響可靠性的三個(gè)因素，即：損壞玻璃表面、施加過(guò)大的拉伸應力及損壞涂層的完整性。由于接觸光纖玻璃可能造成微小的表面缺陷，從而導致光纖故障，因此應避免裸玻璃與光纖盒內組件的接觸。此外，應避免可能對光纖涂層造成損壞的尖銳邊緣（如劃痕、劃傷和刺傷等）。應避免微小的固體顆?；虻我旱任⒘?，并控制靜電力，以免對光纖的玻璃表面造成損壞。

  CPO系統的構建可以通過(guò)將光學(xué)組件集成到設備外殼內來(lái)實(shí)現。通常這些子組件都是單獨構建，并成為最終組件的一部分。預封裝光纖盒的概念可以最大限度地減少因裝配工的光纖布局經(jīng)驗不足而造成的光纖斷裂。

  圖4：光纖子組件概念示例：確定光纖為合格光纖，并已預先在光纖盒中完成布線(xiàn)，從而減少封裝廠(chǎng)的處理工序，也就減少了因處理不當導致的故障率。

  可靠的光纖密集部署示例

  康寧擁有光纖配置和部署的豐富經(jīng)驗，能夠在狹小空間內實(shí)現密集的彎曲部署。例如，我們專(zhuān)為數據中心開(kāi)發(fā)了 康寧EDGE?解決方案 ，該方案包括一個(gè)可容納576芯光纖的1RU箱體，它僅受限于前面板上的連接器密度，而非箱體中的光纖數量。此外，康寧的 各種拼接管理盒 也能滿(mǎn)足在狹小空間內容納大量光纖的需求，還能保護PON接頭，避免因人為失誤或極端溫度而受到損壞。

  總結

  通過(guò)科學(xué)的設計和組裝，可實(shí)現共封裝光學(xué)系統的光纖基礎設施的高可靠性和可擴展性，這是擴大CPO技術(shù)應用和提高AI網(wǎng)絡(luò )性能的關(guān)鍵。通過(guò)了解和減少光纖的失效機制，并遵循適宜的布局和處理指南，能夠確保光纖連接的整體可靠性。

  此外，利用可容納小彎曲半徑的光纖、預連接組件和預組裝光纖盒，可簡(jiǎn)化系統配置、設計和組裝，有助于確保CPO網(wǎng)絡(luò )的持續高性能。CPO擁有光明的應用前景，必將把人工智能應用推向新的高度。