硅光子技术：数据中心通信的未来变革

硅光子技术正引领数据中心变革，而更大的变革还在前方。

可插拔光模块已在数据中心应用多年，并主导着横向扩展连接。谷歌的Jupiter网络是连接数千个IronwoodTPU的横向扩展网络的代表。图中大部分线缆为黄色，代表单模光纤（SMF）。对于纵向扩展，英伟达CEO黄仁勋去年夏天表示，“我们应尽可能长时间地使用铜缆。”大多数观察家认为，最多还能再用两到三代。

图1：Google Jupiter网络

横向扩展网络中存在大量连接，每个机架都配备一个机架顶部（TOR）以太网交换机，拥有128个以上的端口，其上方还有1-2层横向扩展网络。纵向扩展的链路数量则要多得多。例如，在Nvidia NVL72机架中，有18个交换机，每个交换机直接连接到72个GPU中的每一个：18 x 72 = 每个机架1296个链路。随着更大规模的pod如NVL144和NVL576的出现，每个机架的纵向扩展链路数量也会增加。因此，当纵向扩展采用光纤时，光纤市场将会大幅增长。

在2025年光纤通信展（OFC 2025）上，OMDIA发布的光纤器件市场预测显示，市场规模已从2003年的数十亿美元增长到2023年的约130亿美元，此后增长速度将显著加快，预计到2030年将达到250亿美元，这主要得益于人工智能网络的发展。首先是横向扩展，几年后将扩大到纵向扩展。CignalAI最新的预测则认为，到2029年，市场规模将达到310亿美元。

图2：光器件市场总规模

光学元件包括硅光子学、激光器、硅光放大器（SOA）等基于III-V族工艺制造的器件，以及封装、光纤、连接器、适配器等。本文重点介绍硅光子学。

光如何在芯片间传输数据

数据中心的铜缆正在向光纤过渡。实际的物理光连接由光纤电缆实现，这些电缆通常是“单模光纤”，用于传输单模或多波长的光。包层可以保护光纤，更重要的是，包层的折射率低于纤芯，从而使光线集中在光纤中。

图3：单模光纤电缆——实际光纤直径为8-9毫米，电缆直径为2-3毫米

实际的光纤由玻璃制成，极其纤细——只有9毫米。如此细小的直径使得光保持单模状态，而硅光子学正是利用了这一点。

硅光子学应用

可插拔光器件

硅光子学目前在数据中心市场的主要驱动力是可插拔光收发器。

它们是一种标准化的热插拔设备，一端连接到交换机或服务器的电气接口，另一端连接到光纤。与它们所取代的铜缆相比，它们能够以更高的带宽和更低的功耗通过光纤将数据从一个交换机/服务器高速传输到另一个交换机/服务器。

光路交换机 (OCS)

谷歌多年来一直在谷歌云中使用光路交换机（OCS）。

共封装光学器件 (CPO)

CPO可实现比可插拔光学器件更高的密度和更低的功耗。

硅光代工，大有可为

与CMOS相比，目前的硅光子制造规模较小，但硅光子器件代工厂将迎来巨大增长。