芯耀
与非AI
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最近这几年，光通信在AI浪潮的带动下，获得了爆炸式的发展。
以CPO/NPO/LPO为代表的新型光互连架构，以及以空芯光纤、多芯光纤为代表的新型光纤介质，都是行业关注的焦点。
光通信的新兴概念术语很多，很多读者都觉得云里雾里。今天这篇文章，小枣君就站在技术演进的底层逻辑，帮大家理清脉络、抓住主线。
█ 光通信发展的核心目标
光通信本质是通信技术，目的是传输数据。
所以，光通信的主要发展目标，是提升传输容量、降低传输时延、延长传输距离。与此同时，要尽可能降低功耗和成本，这样才能加速商业化。
更简单来说，就是：速度要越来越快，同时要尽可能省电。
█ 提升传输容量
先看最最主要的目标，提升传输容量。
大家都知道，光纤的本质就是一根玻璃丝。发送端，有一个光模块，通过激光器发出光，然后通过调制器，让光承载海量的数据信息，最后送到光纤里。
光到达对端，也有一个光模块，通过光探测器，解读光里面的信息，然后做一些信号处理修复，送往下一段。
想要提升光纤通信的传输容量，大概就两个方向：
方向一、提升单个通道的传输能力。
方向二、提升通道的数量。
这个通道，就是光波通道，也就是波道。
方向一，又分为两个子方向：
1、提升信号的波特率，即提升单位时间内传送的码元符号的个数。
每秒传输的符号越多，当然信息量就越大。
我们可以通俗理解为增加光信号“眨眼”的频率——每秒能闪多少次，每次闪烁代表一个符号。提高波特率，相当于让光信号“眨得更快”，从而在单位时间内塞进更多数据。
目前，行业光学器件的波特率已经达到120+ Gbaud。再想提升，难度极大。这主要受限于激光器线宽、调制器带宽、模数转换精度以及光纤非线性效应等物理瓶颈。
2、增加单波长承载的比特数，即提升调制阶数。
让每个符号表达的信息量增加。例如从QPSK升级到16QAM、64QAM，甚至更高阶格式。在相同波特率下，可以成倍提升频谱效率。
但调制阶数越高，对信噪比（SNR）要求越苛刻，传输距离会显著缩短。同时，高阶调制对激光器线宽、偏振态稳定性和数字信号处理（DSP）算法的精度也提出极大挑战。
这相当于远距离看数字0和1，或者看数字0/1/2/3。虽然单个符号所携带的信息量越大，但对空气能见度要求更高，或者对视力的要求更高。
现在行业也有提出PAM6和PAM8，也是高阶调制，难度大，成本高。
上面介绍的单通道提速方法，类似于汽车运输场景中，增加发车频次、让每辆车装载更多货物。
这个方向的背后，其实就是光器件的技术和工艺不断升级，但已经逼近极限了，难度也越来越高，成本与功耗的边际效益急剧下降。
方向二，增加通道数量。也可以分为两个子方向。
首先，是物理上，要么搞多根光纤绑在一起（不太合适，太粗了，工程上也别扭），要么在一根光纤里搞多根纤芯（多芯光纤）。这个类似于修路。一条路不够，就多修几条（空分复用）。
其次，是在同一个纤芯里，塞入多个光波。背后，就是波分复用技术，还有多模技术（多模光纤、少模单芯光纤）。这个类似于在一条路基上，划分多个车道。
波分复用的话，就要看可以用的频段大不大。换言之，这些光波不能用一个频率，不然就互相干扰了。所以，就需要拓展可用的光谱带宽，即向更宽波段演进。
这个很好理解，就像增加高速公路的车道数。道路（频率宽度）越宽，可以划分的车道（波道）就越多，传输容量就增加了。
这些年，行业里经常说的C++波段、C+L波段、C+L+S波段，就是这个意思。即在传统C波段基础上，向长波方向拓展至L波段，甚至进一步探索S波段与U波段，以最大化利用光纤的低损耗窗口。（光通信到底有哪些波段？）
值得注意的是，波段拓展并不是想象中那么简单。不同波段的放大器增益谱不一致，需协同优化掺铒光纤放大器（EDFA）与拉曼放大技术。尤其在跨段长距离系统中，还需解决色散斜率差异、偏振模色散累积及非线性串扰加剧等新问题。
█ 降低传输时延
这个目标，其实不是那么特别关键。因为光通信，速度就是光传播的速率，已经非常快了，比电信号要快得多。要比光更快，几乎不可能——真空光速是宇宙速度上限。
但是，光在不同介质中的传输速率，是不一样的。所以，现在有了空芯光纤，让光在空气或真空中传输，可以获得更低的时延，主要用于金融证券等领域。
想要再打时延的主意，就只能从系统架构层面入手。例如，降低设备处理时延，还有尽量减少光信号在设备内部的转发跳数，再就有尽量减少光信号的光电转换次数。一旦有处理，就会额外增加时延。
业界推出的全光交叉（OXC）技术，还有OCS，OIO什么的，也是这么个逻辑。待会还会再提到。
█ 延长传输距离
理论上，光通信的传输距离是无限的。至少覆盖地球是没有任何问题。
现在海洋里有很多的长途光缆，几千上万公里，都工作得好好的。
光纤有正常的衰减、色散累积与非线性效应，但通过现有技术（低损耗光纤等）都比较容易克服。
现在强调的长距离，是建立在高速率的前提下。就是如何保证高速率下的长距离，且最好是无中继。换言之，抛开速率谈距离，就是耍流氓。
例如，400G800G1.6T高速光通信，此前是用在机柜内通信。然后要扩展到机柜间，现在要进一步扩展到数据中心与数据中心之间。国家骨干网，未来也要用上。这个，就对光通信技术提出了更严苛的挑战。
前面提到的提速方法，例如高阶调制，就需要考虑其在长距离传输中的功率效率与信噪比容限。像64QAM这种，虽提升频谱效率，但其对信噪比要求极高，长距离传输时需配合更强的前向纠错（FEC）与更优的光放大策略。
所以，提升传输距离这个目标，本质上还是提升传输容量问题。寻找容量和距离之间的平衡。
相干光通信（到底什么是相干光通信？），就是一个典型案例。通过调制解调方式的创新，实现更长距离的传输。
█ 降低功耗和成本
这是一个逻辑，我就放在一起说了吧。
光通信属于传输技术。对于传输这个大领域来说，最大的功耗，来自电通信。所以，想办法让光通信替代电通信，就是降功耗最有力的手段。
现在，端到端的通信链条中，绝大部分已经实现了光信号。但是，光模块和交换芯片之间，仍然是电信号。这是CPO/NPO/LPO/XPO技术的发展背景。
这些xPO技术，核心目的就一个，降低光电器件间的电互连距离，从而减少信号驱动功耗、提升能效比。
简单来说，最终目标，是芯片也变成光计算芯片，彻底无电。但这个目标太难，所以，退而求其次，让电计算芯片，直接自带光接口，实现光电共封装（CPO）。现在业界常说的OIO，也就是Optical I/O，就是这个逻辑。
这些xPO技术，是因为传统的光电互联结构中，电这一部分，严重阻碍了速率提升（会带来极大的功耗，也会进而带来极大的成本）。所以，要发展硅光和光电共封装，以突破电信号的物理瓶颈。
CPO和NPO，可以看这里：到底什么是NPO/CPO？
LPO和XPO，都是过渡技术。小枣君之前都详细介绍过。
LPO可以看这里： 到底什么是LPO？
XPO，可以看这里：最近特别火的XPO，到底是个啥？
简单来说，LPO的目的，是希望保留可插拔的光模块。CPO如果坏了，整个板子要换。LPO，可以单独更换光模块，降低运维成本与备件复杂度。XPO也是过渡，牺牲了功耗，但可以勉强实现暂时的“大容量+可插拔”。
█ 结语
以上，就是光通信技术的整体发展思路。
AI对通信技术的“压榨”，主要就体现在光通信上。只有光，才能够满足AI不断膨胀的速率容量以及时延需求。
整个光通信产业，已经快被逼疯了。几乎所有的器件和工艺，都在逼近物理极限。这意味着，越来越接近性能和成本的边际效应。
但是没办法，有需求，就意味着有money。有钱能使鬼推磨，现在我们看到整个光通信产业都非常繁荣，股价大涨，融资踊跃，人才抢手，产线满负荷运转。这也许就是一种“痛，并快乐着”。移动通信想沾这个边，都沾不上，只能眼红。
在最终的未来，要么就是光计算成熟，彻底取代电计算，然后实现端到端的全光。要么，就是出现新的技术，取代光。反正在可预见的未来十年内，光通信仍然将以本文所说的方式持续演进。
这个产业到底还能繁荣多久，物理极限是否会被打破，让我们拭目以待吧。
