多波长高功率激光器解锁光学并行技术以助力AI与云计算扩展

引言

人工智能和云计算中数据处理的指数级增长正在推动数据中心传统铜基互连达到极限。每天处理的数据量达330亿GB，且以23%的年复合增长率增长，行业面临关键转折点，传统铜连接已无法满足带宽需求。本文探讨多波长激光器技术，特别是Pilot Photonics公司创新的梳状激光器方法，如何提供突破性解决方案，实现高性能计算基础设施的下一代发展[1]。

铜互连的死亡螺旋

当今数据中心主要依赖铜缆连接计算元件。然而，这种依赖产生了所谓的"铜死亡螺旋"—一种基本物理限制，随着数据速率增加，传输距离急剧减少，功耗呈指数级增长。

图1：铜互连的数据速率与传输距离反比关系图，显示在更高数据速率下功耗急剧增加

铜的物理特性为未来扩展设置了不可逾越的障碍。现代数据中心机架约含2英里重达1吨的铜缆，为新架构和分解策略创造了显著挑战。随着数据速率接近400 Gbps及更高，铜的传输距离缩减至不实用的程度，而功率需求变得过高。这一基本限制可能会阻碍AI和云计算能力的持续增长。

多太比特光互连解决方案

光互连为铜提供了极具吸引力的替代方案，单根光纤可传输多个通道，性能显著提升。向光技术转变，容量可增加50倍，在相同或更低功耗下传输距离延长1000倍。

图2：对比图显示光互连在数据速率增加时保持高传输距离和低功耗，与铜形成鲜明对比

光互连的优越特性使其具备3倍较低延迟（因减少了数字信号处理需求）、3倍较小物理占用空间和10倍较轻重量，相较于铜解决方案。这些性能优势促进新型数据中心架构实现，支持计算基础设施持续扩展。摆脱铜死亡螺旋，光技术为更高效、可扩展和强大的计算系统提供了可能性。

全光连接倡议

从铜到光连接的转变正在数据中心互连的各个层面发生，从芯片到芯片通信到数据中心间连接。这一全面转变，被称为"全光连接"(Everything over Optical，EoO)，代表计算系统连接方式的根本转变。

图3：表格展示不同互连类型、特性及各种规模下光技术应用机会

这一转变的全面性突显了先进多波长激光源的重要性。这些光源必须提供波长准确性、功率效率和可扩展性，以最大化所有互连类型的容量和带宽密度。

λ-网格密集化实现容量扩展

目前数据中心的光链路通常使用1、4或8个波长，常采用粗波分复用(CWDM)网格。然而，为满足不断增长的容量需求，行业正向更密集的波长网格发展。CW-WDM（连续波-波分复用）标准已被定义，实现这种密集化。

图4：波长网格比较，显示从CWDM到更密集的CW-WDM标准演变，提供各种通道间隔选项

向更密集波长网格转变需要具备卓越波长稳定性和准确性的激光源。这一要求带来重大技术挑战，不同激光技术以多种方式解决这些挑战。

光源技术比较

为并行光链路生成多个波长存在两种主要方法：激光器阵列和梳状激光器。每种技术都具有独特优势和局限性，影响其在不同应用中的适用性。

图5：激光器阵列与梳状激光器架构比较图，及各自优缺点

激光器阵列由多个独立激光器组成，每个激光器在单独波导上发射不同波长。它们提供较高的每波长功率和用于调制的独立波导，但波长准确性较差且控制需求复杂。相反，梳状激光器从单一光源发射多个精确间隔的相干波长，提供出色的波长准确性和简单控制，但每波长功率较低且需要解复用。

这些技术之间的选择涉及功率、稳定性、控制复杂性和波长准确性之间的权衡。Pilot Photonics开发了结合两种技术最佳方面的创新方法。

Pilot的混合方法：兼具两种技术优势

Pilot Photonics开发了结合激光器阵列和梳状激光器优点的突破性方法。其解决方案使用注入锁定将激光器阵列与微型梳状激光器同步，创建在所有指标上性能卓越的混合系统。

图6：Pilot混合梳状激光器方法的技术演示，包括芯片图像和性能测量

这种混合方法解决了两种技术的根本局限性。通过使用微型梳状激光器通过注入锁定来稳定和同步激光器阵列，Pilot实现了高功率、稳定准确波长的多波长操作，具备优异的线宽和相对强度噪声(RIN)特性，能够进行高数据速率强度调制/直接检测(IM/DD)和相干检测，为未来发展做好准备。

竞争定位与性能

Pilot的方法在多波长激光源竞争格局中占据独特位置。其外部梳增强激光源(ExCELS)技术结合氮化硅微型梳状激光器的稳定性和线宽优势，以及激光器阵列的高功率和良好RIN性能优势。

图7：性能比较矩阵，显示ExCELS技术相对于锁模激光器、氮化硅微型梳状激光器和激光器阵列的优越定位

产品实现与路线图

Pilot Photonics通过为数据中心生态系统中不同应用设计的产品系列，将其创新技术推向市场。其外部激光源(ELS)产品系列包括用于测试与测量以及在光电共封装系统中生产部署的解决方案。

图8：产品组合，展示LYRA-X测试设备和ELSFP生产模块的规格和应用

LYRA-X提供16通道多波长激光源，采用独立配置，适用于产品开发和系统验证。生产模块完全符合OIF ELSFP和CIMS标准，具有盲插拔设计和集成激光控制系统。

未来发展与合作伙伴关系

Pilot Photonics通过战略合作和研究计划持续推进技术发展。他们与IMEC通过欧盟资助的ADOPTION项目合作，专注于为AI和云数据中心开发高密度梳状激光器基互连。

图9：展示与IMEC合作的ADOPTION项目及其技术目标的图表

该合作利用IMEC在硅基光电子和电子集成线路方面的专长，为下一代数据中心连接创建完整解决方案。在Horizon Europe和EIC计划支持下，该项目旨在提供6.4Tbps chiplet，实现数据中心交换能力的空前扩展。

结论

从铜到光互连的转变代表数据中心架构的根本变化，由AI和云计算应用中对带宽的巨大需求驱动。Pilot Photonics创新的混合多波长激光源方法解决了这一转变中的关键挑战，为计算基础设施的持续扩展提供了路径。

通过结合梳状激光器的稳定性和准确性与激光器阵列的功率和灵活性，Pilot的ExCELS技术为高密度光互连提供了最佳解决方案。随着数据中心向全光架构发展，这些先进激光源将在实现下一代高性能计算系统中发挥关键作用。

该公司的路线图包括在2027年第一季度推出产品，并正在努力建立制造和终端用户合作关系。这项技术有望释放光学并行性新可能，支持AI和云计算能力持续增长，同时解决传统互连技术的根本限制。