解鎖AI未來：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）帶來的無限可能，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，作者將闡述在設計和部署光電共封裝的光纖基礎設施時，用戶應該考慮的因素。

  什么是光電共封裝？

  光電共封裝（Co-packaged Optics，簡稱CPO）是通過將交換系統(tǒng)或處理系統(tǒng)中的光學器件和電子元件封裝在一起，以提升數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡和處理帶寬、密度和功效的一種技術架構(gòu)。CPO能夠通過提高數(shù)據(jù)傳輸速度和數(shù)據(jù)密度、降低延時，并提高系統(tǒng)的整體功效，從而推動人工智能的大幅提升。

  光纖的可靠性非常重要

  大量采用CPO的用戶面臨一項重要挑戰(zhàn)，就是他們需要避免在系統(tǒng)組裝的過程中出現(xiàn)光纖損壞或故障，因為這會影響整個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，將會削弱光纖性能，這可能導致相關光路出現(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隔離玻璃表面。

  導致光纖應力的最常見的原因是彎曲。因此，設計人員在CPO交換機或處理盒內(nèi)布置光纖基礎設施時，必須考慮彎曲配置對光損耗及光路可靠性的影響。無論是從質(zhì)量還是數(shù)量上來說，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行了大量測試來確定強度分布。正如白皮書中所述，光纖故障率會隨著彎曲半徑的減小而迅速增加。對于使用大量光纖的系統(tǒng)（如采用平行光學的高帶寬交換機）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鍵因素。

  下面展示了專為CPO光纖基礎設施而設計的光纖帶管理設備的概念（見圖1）。它提供了松弛管理能力，可實現(xiàn)實際的光纜長度公差，這種機制可通過控制光纖帶的彎曲半徑來避免過度彎曲，并通過堆疊來滿足大芯數(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)和模型計算出了部署在儲線器中不同芯數(shù)光纖帶的五年故障率。在此類儲線器中，最小彎曲半徑由內(nèi)置法蘭來設置。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)量和不同儲線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）。虛線表示1-FIT概率水平。

  CPO盒內(nèi)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。盡管市場上有專用高溫涂層，但我們?nèi)詰敱苊鉂撛诘陌l(fā)熱點，以消除涂層退化的風險。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適宜的微環(huán)境中。

  涂層所處的機械環(huán)境也是一個重要的考慮因素，因為一旦涂層喪失完整性，可能會導致玻璃表面損壞，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?qū)⑵浯┻^狹窄的開口，否則隨著時間的推移，加之機械沖擊和振動，可能會導致光路損壞并最終出現(xiàn)故障。光纖連接的應力消除結(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）應力限制。

  可靠的光纖該如何設計與處理？

  服務器機架內(nèi)的光纖配置設計對CPO系統(tǒng)的性能、使用壽命和可靠性有著至關重要的影響?？茖W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）；確保每個光纖組件都易于接近；提供清晰的基礎構(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險。

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）

  在實施階段，也就是在CPO系統(tǒng)內(nèi)部署光纖基礎設施的過程中，必須避免可能影響可靠性的三個因素，即：損壞玻璃表面、施加過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(nèi)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(tǒng)的構(gòu)建可以通過將光學組件集成到設備外殼內(nèi)來實現(xiàn)。通常這些子組件都是單獨構(gòu)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，從而減少封裝廠的處理工序，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(nèi)實現(xiàn)密集的彎曲部署。例如，我們專為數(shù)據(jù)中心開發(fā)了 康寧EDGE?解決方案 ，該方案包括一個可容納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)

  通過科學的設計和組裝，可實現(xiàn)共封裝光學系統(tǒng)的光纖基礎設施的高可靠性和可擴展性，這是擴大CPO技術應用和提高AI網(wǎng)絡性能的關鍵。通過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，可簡化系統(tǒng)配置、設計和組裝，有助于確保CPO網(wǎng)絡的持續(xù)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。