解鎖AI未來(lái)：光電共封裝（CPO）光纖基礎(chǔ)設(shè)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(shù)據(jù)處理能力和組件。本文中，作者將闡述在設(shè)計(jì)和部署光電共封裝的光纖基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，用戶應(yīng)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CPO）是通過(guò)將交換系統(tǒng)或處理系統(tǒng)中的光學(xué)器件和電子元件封裝在一起，以提升數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)和處理帶寬、密度和功效的一種技術(shù)架構(gòu)。CPO能夠通過(guò)提高數(shù)據(jù)傳輸速度和數(shù)據(jù)密度、降低延時(shí)，并提高系統(tǒng)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的用戶面臨一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)，就是他們需要避免在系統(tǒng)組裝的過(guò)程中出現(xiàn)光纖損壞或故障，因?yàn)檫@會(huì)影響整個(gè)CPO系統(tǒng)的可靠性。如果一條或多條光纖束的玻璃表面出現(xiàn)拉伸裂紋、劃痕或劃傷，將會(huì)削弱光纖性能，這可能導(dǎo)致相關(guān)光路出現(xiàn)故障。由于在裸玻璃內(nèi)部，即使是最輕微的接觸也可能導(dǎo)致故障，影響光纖的使用壽命，因此，我們需要使用高強(qiáng)度的聚合物涂層來(lái)隔離玻璃表面。

  導(dǎo)致光纖應(yīng)力的最常見(jiàn)的原因是彎曲。因此，設(shè)計(jì)人員在CPO交換機(jī)或處理盒內(nèi)布置光纖基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，必須考慮彎曲配置對(duì)光損耗及光路可靠性的影響。無(wú)論是從質(zhì)量還是數(shù)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。康寧進(jìn)行了大量測(cè)試來(lái)確定強(qiáng)度分布。正如白皮書(shū)中所述，光纖故障率會(huì)隨著彎曲半徑的減小而迅速增加。對(duì)于使用大量光纖的系統(tǒng)（如采用平行光學(xué)的高帶寬交換機(jī)）而言，了解這一因素尤為重要，因?yàn)檫@是對(duì)光纖可靠性造成累加影響的關(guān)鍵因素。

  下面展示了專為CPO光纖基礎(chǔ)設(shè)施而設(shè)計(jì)的光纖帶管理設(shè)備的概念（見(jiàn)圖1）。它提供了松弛管理能力，可實(shí)現(xiàn)實(shí)際的光纜長(zhǎng)度公差，這種機(jī)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)滿足大芯數(shù)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長(zhǎng)度連接不同路徑而產(chǎn)生的松弛。

  我們利用可靠性數(shù)據(jù)和模型計(jì)算出了部署在儲(chǔ)線器中不同芯數(shù)光纖帶的五年故障率。在此類儲(chǔ)線器中，最小彎曲半徑由內(nèi)置法蘭來(lái)設(shè)置。圖2所示曲線圖顯示，在彎曲半徑一定的情況下，光纖斷裂的概率隨著光纖盒內(nèi)光纖數(shù)量的增加而增加。

圖2：在不同光纖帶數(shù)量和不同儲(chǔ)線器設(shè)計(jì)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）。虛線表示1-FIT概率水平。

  CPO盒內(nèi)的光纖布局設(shè)計(jì)必須考慮光纖應(yīng)力極限和光纖涂層的熱環(huán)境，以確保對(duì)光纖的保護(hù)、可靠性和使用壽命。標(biāo)準(zhǔn)光纖涂層可承受CPO組件操作環(huán)境下的預(yù)期高溫。盡管市場(chǎng)上有專用高溫涂層，但我們?nèi)詰?yīng)當(dāng)避免潛在的發(fā)熱點(diǎn)，以消除涂層退化的風(fēng)險(xiǎn)。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮使用間隔器或路由硬件，以確保光纖基礎(chǔ)設(shè)施始終處于一個(gè)適宜的微環(huán)境中。

  涂層所處的機(jī)械環(huán)境也是一個(gè)重要的考慮因素，因?yàn)橐坏┩繉訂适暾?，可能?huì)導(dǎo)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(yīng)避免將光纖排布在粗糙或尖銳的物體表面，或?qū)⑵浯┻^(guò)狹窄的開(kāi)口，否則隨著時(shí)間的推移，加之機(jī)械沖擊和振動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致光路損壞并最終出現(xiàn)故障。光纖連接的應(yīng)力消除結(jié)構(gòu)必須遵守制造商規(guī)定的光纖及其封裝（光纜和光纖帶等）應(yīng)力限制。

  可靠的光纖該如何設(shè)計(jì)與處理？

  服務(wù)器機(jī)架內(nèi)的光纖配置設(shè)計(jì)對(duì)CPO系統(tǒng)的性能、使用壽命和可靠性有著至關(guān)重要的影響?？茖W(xué)的設(shè)計(jì)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(chǔ)構(gòu)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(xiǎn)。

圖 3：光纖路由示例，光纖盒內(nèi)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(tǒng)內(nèi)部署光纖基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)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(dǎo)致光纖故障，因此應(yīng)避免裸玻璃與光纖盒內(nèi)組件的接觸。此外，應(yīng)避免可能對(duì)光纖涂層造成損壞的尖銳邊緣（如劃痕、劃傷和刺傷等）。應(yīng)避免微小的固體顆粒或滴液等微粒，并控制靜電力，以免對(duì)光纖的玻璃表面造成損壞。

  CPO系統(tǒng)的構(gòu)建可以通過(guò)將光學(xué)組件集成到設(shè)備外殼內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常這些子組件都是單獨(dú)構(gòu)建，并成為最終組件的一部分。預(yù)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(yàn)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(yù)先在光纖盒中完成布線，從而減少封裝廠的處理工序，也就減少了因處理不當(dāng)導(dǎo)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(yàn)，能夠在狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)密集的彎曲部署。例如，我們專為數(shù)據(jù)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(shù)量。此外，康寧的 各種拼接管理盒 也能滿足在狹小空間內(nèi)容納大量光纖的需求，還能保護(hù)PON接頭，避免因人為失誤或極端溫度而受到損壞。

  總結(jié)

  通過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì)和組裝，可實(shí)現(xiàn)共封裝光學(xué)系統(tǒng)的光纖基礎(chǔ)設(shè)施的高可靠性和可擴(kuò)展性，這是擴(kuò)大CPO技術(shù)應(yīng)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(jī)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(yù)連接組件和預(yù)組裝光纖盒，可簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置、設(shè)計(jì)和組裝，有助于確保CPO網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)高性能。CPO擁有光明的應(yīng)用前景，必將把人工智能應(yīng)用推向新的高度。