高速光通信数据中心概述：支撑未来数字基础设施的技术创新

下一代数据中心的基本要素

随着数字社会的持续快速发展，数据中心的作用变得越来越重要。下一代数据中心所需的关键因素之一是高速性能。云计算和 AI 的广泛采用导致数据处理需求急剧增加，从而产生了对更快数据传输和处理的需求。

由于数据中心通常消耗大量电力，因此节能对于减少对环境的影响至关重要。还需要可扩展性以灵活处理未来数据量的增长、系统稳定性和高级安全性，以应对网络攻击和信息泄露的风险。最重要的是，降低运营成本并实现高性能非常重要。

高速光通信数据中心正在世界各地构建，作为满足下一代数据中心的这些要求的强大系统。

什么是高速光通信数据中心？

高速光通信数据中心通过使用光纤和光信号进行数据传输和处理，补充或取代了通过传统铜线进行的基于电信号的通信。通过光纤连接服务器、机架和数据中心，通过光信号传输信息，实现高速、大容量的信息传输。

高速光通信数据中心不仅有望为 AI 和云服务带来好处，还将为金融、医疗/保健、娱乐和汽车等其他行业带来好处。

例如，在金融领域，高频交易、复杂的金融模型计算以及其他需要低延迟和大容量数据处理的任务将实现更高的效率。在医疗和保健领域，将能够实时发送和处理大量医疗数据（用于成像诊断等），我们可能会看到远程医疗和使用 AI 的诊断支持等领域的进展。在娱乐行业，高质量视频流和云游戏等服务将变得更加容易获得。同时，在汽车行业，随着自动驾驶技术的发展，高速光通信数据中心将在实现高速、低延迟数据处理方面发挥关键作用，以实现自动驾驶汽车和基于云的系统之间的实时协调。

高速光通信数据中心的主要特性

高速光通信数据中心中使用的光信号在真空中每秒传输约 300,000 公里*1。虽然光纤的速度略慢，但仍比铜线中的电信号达到的每秒 200,000 公里要快。此外，由于光通信的衰减比电信号小，因此非常适合长距离传输，并且可以显著提高数据中心内外的通信速度。
*1欢迎 – BIPM（搜索 – BIPM）

光纤通信还具有其他优势。光纤提供的带宽是电缆的数百倍，使其能够一次性传输更多数据。此外，一根光纤可以利用波分复用 (WDM) 技术同时传输多个不同波长的光信号（稍后将讨论）。这使得数据传输容量显著提升。

光的使用还可以降低数据中心的功耗。与电缆相比，光纤的信号衰减更小，因此在长距离传输过程中的功率损失更小。此外，由于光学设备产生的热量比电气设备少，因此也可以减少冷却系统的负载。最后，在数据中心直接使用光信号减少了电到光转换的次数，从而最大限度地减少了转换过程中的功率损失。由于这些因素，与传统数据中心相比，高速光通信数据中心在某些条件下可以实现 30% 或更多的节能。*2
*2未来光电融合技术 （JP） 实现的未来半导体战略和下一代光数据中心

与传统数据中心相比，高速光通信数据中心只需添加新光纤即可更轻松地扩展网络容量，从而灵活应对数据量的快速增长。光纤比电缆更细、更轻，因此可以在有限的空间内运行更多的系统。

由于这些特性，高速光通信数据中心备受期待，将成为下一代数据处理的基础。

数据中心间光互连的优势

光通信技术在相距数十或数百公里的数据中心之间的通信中发挥着重要作用。光学互连数据中心可在地理位置分散的数据中心之间实现高速、大容量的数据传输。距离越远，光互连的优势就越明显，尤其是在高带宽和低延迟方面。使用为光通信开发的波分复用 （WDM） 和数据传输速度为 400 Gb/s （400 Gbps）*3 的 400G ZR 技术，可以以极低的延迟与远程数据中心进行通信。
*3这项技术将实现被称为 400G ZR 的下一代高速网络吗？|锐捷网络日本 （JP）

从信息安全的角度来看，光互连也具有优势。光信号的外部拦截非常困难，因为它们不受电磁干扰的影响，并且光纤的信号泄漏极低。光信号与加密高度兼容，未来通过光纤实现量子密码学通信具有巨大潜力。由于这些特性，光互连是需要高级别安全性的组织的数据中心的理想选择。

下一代光通信的DWDM传输技术

波分复用 （WDM） 技术正在显著提高高速光通信数据中心的通信速度。WDM 允许通过单根光纤同时传输多个不同波长的光信号。近年来，还开发了一种称为DWDM（密集波分复用）的更密集版本的 WDM。在某些情况下，DWDM可以通过单根光纤同时传输多达 160 个或更多波长的光信号。这些信号中的每一个都具有每个波长 100 Gbps*4 或更高的传输速度，因此可以通过一根光纤每秒传输数 TB 的信号。与传统的 WDM 技术相比，这意味着传输容量显着增加。
*4 WDM 技术简介：支持下一代通信的波分复用的基础知识和应用 | newji （JP）

在DWDM传输技术的发送端，激光器产生不同波长的光，数据被调制到各个波长上。这些信号由一个称为MUX滤波器的组合设备进行复用，并沿单根光纤发送。在接收端，一个称为DEMUX滤波器的解复用器将组合后的波长分离回原始数据。
DWDM的主要优势在于能够在利用现有光纤基础设施的同时大幅提升传输容量。这使得轻松扩展通信网络成为可能，同时充分利用现有基础设施，大幅提高性价比。

数字相干传输技术实现高速通信

除了 WDM 技术外，数字相干传输是另一种高速光通信技术，于 2010 年左右开始采用。数字相干传输技术是一种先进的调制方法，它同时使用光通信信号的幅度和相位来一次传输更多信息。与传统的直接检测方法相比，该技术能够以更高的速度和更长的距离进行光通信。

过去，光通信使用光开关键控发送数字信号。这类似于打开或关闭手电筒以摩尔斯电码发送信息。相比之下，数字相干传输可以通过改变相位（手电筒光的颜色）和振幅（强度）来在光中包含更多信息。具体来说，发送端在发送光信号之前，会调制光电磁波的高度（振幅）和形状（相位）。在接收端，光检测设备将信号转换为电信号，并执行数字信号处理以校正传输过程中可能出现的失真，从而高精度地恢复原始信号。
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数字相干技术的一个关键优势是它能够高速传输每个波长 100 Gbps 或更高的速度，从而能够在有限的带宽内传输更多信息。此外，由于其信号衰减低，它已成为进行长距离传输的高速光通信数据中心的必要条件。

前景广阔的新技术：共封装光学器件 （CPO）

支持下一代高速光通信数据中心的核心技术之一是称为共封装光学器件 （CPO） 的新平台。CPO 是一种将电子芯片和光学引擎集成到单个封装中的先进技术。这项技术可以显著提高数据中心的通信速度，同时显著降低功耗。

CPO 的优势之一是高速通信。最大限度地减少电子芯片和光学引擎之间的距离，可实现极高速的数据传输。此外，更短的电线长度和降低的光信号和电信号之间的转换频率显著降低了功耗。此外，将多种功能集成到单个封装中可实现整体系统小型化和高密度化。CPO 技术可以将每个芯片的带宽扩展到每秒数 TB，这提高了人们对它在支持下一代高速光通信数据中心方面发挥核心作用的期望。

如上所述，高速光通信数据中心是功能强大的系统，可提供下一代数据中心所需的许多元素，例如高速、高容量、低延迟、能源效率和高安全性。DWDM传输、数字相干技术和 CPO 等先进技术的引入将进一步提高性能。

随着数字社会的进步，对数据处理的需求不断增加，高速光通信数据中心无疑将继续发展成为关键的基础设施元素。