解锁AI未来：光电共封装（CPO）光纤基础设施的优化方式

作者：Benoit Fleury

我们惊叹于人工智能（AI）带来的无限可能，但是我们往往却忽略了AI所需的数据处理能力和组件。本文中，作者将阐述在设计和部署光电共封装的光纤基础设施时，用户应该考虑的因素。

什么是光电共封装？

       光电共封装（Co-packaged Optics，简称CPO）是通过将交换系统或处理系统中的光学器件和电子元件封装在一起，以提升数据中心网络和处理带宽、密度和功效的一种技术架构。CPO能够通过提高数据传输速度和数据密度、降低延时，并提高系统的整体功效，从而推动人工智能的大幅提升。

光纤的可靠性非常重要

       大量采用CPO的用户面临一项重要挑战，就是他们需要避免在系统组装的过程中出现光纤损坏或故障，因为这会影响整个CPO系统的可靠性。如果一条或多条光纤束的玻璃表面出现拉伸裂纹、划痕或划伤，将会削弱光纤性能，这可能导致相关光路出现故障。由于在裸玻璃内部，即使是最轻微的接触也可能导致故障，影响光纤的使用寿命，因此，我们需要使用高强度的聚合物涂层来隔离玻璃表面。

       导致光纤应力的最常见的原因是弯曲。因此，设计人员在CPO交换机或处理盒内布置光纤基础设施时，必须考虑弯曲配置对光损耗及光路可靠性的影响。无论是从质量还是数量上来说，康宁生产的硅基玻璃光纤都是一种可靠的解决方案。康宁进行了大量测试来确定强度分布。正如白皮书中所述，光纤故障率会随着弯曲半径的减小而迅速增加。对于使用大量光纤的系统（如采用平行光学的高带宽交换机）而言，了解这一因素尤为重要，因为这是对光纤可靠性造成累加影响的关键因素。

       下图（图1）展示了专为CPO光纤基础设施而设计的光纤带管理设备的概念。它提供了松弛管理能力，可实现实际的光缆长度公差，这种机制可通过控制光纤带的弯曲半径来避免过度弯曲，并通过堆叠来满足大芯数光纤配置的要求。

图1：CPO光纤带部署概念，能够管理因制造误差或使用单一光纤带跳线长度连接不同路径而产生的松弛。

       我们利用可靠性数据和模型计算出了部署在储线器中不同芯数光纤带的五年故障率。在此类储线器中，最小弯曲半径由内置法兰来设置。下图（图2）曲线图显示，在弯曲半径一定的情况下，光纤断裂的概率随着光纤盒内光纤数量的增加而增加。

图2：在不同光纤带数量和不同储线器设计半径的情况下的模拟故障率（这里的故障是指至少有一根光纤断裂）。虚线表示1-FIT概率水平。

       CPO盒内的光纤布局设计必须考虑光纤应力极限和光纤涂层的热环境，以确保对光纤的保护、可靠性和使用寿命。标准光纤涂层可承受CPO组件操作环境下的预期高温。尽管市场上有专用高温涂层，但我们仍应当避免潜在的发热点，以消除涂层退化的风险。因此，设计人员应考虑使用间隔器或路由硬件，以确保光纤基础设施始终处于一个适宜的微环境中。

       涂层所处的机械环境也是一个重要的考虑因素，因为一旦涂层丧失完整性，可能会导致玻璃表面损坏，从而影响光纤的使用寿命。因此，必须避免挤压、磨损和划伤，以防止涂层失效。

       此外，应避免将光纤排布在粗糙或尖锐的物体表面，或将其穿过狭窄的开口，否则随着时间的推移，加之机械冲击和振动，可能会导致光路损坏并最终出现故障。光纤连接的应力消除结构必须遵守制造商规定的光纤及其封装（光缆和光纤带等）应力限制。

可靠的光纤该如何设计与处理？

       服务器机架内的光纤配置设计对CPO系统的性能、使用寿命和可靠性有着至关重要的影响。科学的设计原则包括：尽可能避免不同光纤组件的交织或缠绕（如图3）；确保每个光纤组件都易于接近；提供清晰的基础构架作业路径，以最大限度地降低光纤缠绕或被挤压的风险。

图 3：光纤路由示例，光纤盒内不存在缠绕的情况（图片由Micas Networks公司提供）

       在实施阶段，也就是在CPO系统内部署光纤基础设施的过程中，必须避免可能影响可靠性的三个因素，即：损坏玻璃表面、施加过大的拉伸应力及损坏涂层的完整性。由于接触光纤玻璃可能造成微小的表面缺陷，从而导致光纤故障，因此应避免裸玻璃与光纤盒内组件的接触。此外，应避免可能对光纤涂层造成损坏的尖锐边缘（如划痕、划伤和刺伤等）。应避免微小的固体颗粒或滴液等微粒，并控制静电力，以免对光纤的玻璃表面造成损坏。

       CPO系统的构建可以通过将光学组件集成到设备外壳内来实现。通常这些子组件都是单独构建，并成为最终组件的一部分。预封装光纤盒的概念可以最大限度地减少因箱级装配工的光纤布局经验不足而造成的光纤断裂。

图4：光纤子组件概念示例：确定光纤为合格光纤，并已预先在光纤盒中完成布线，从而减少封装厂的处理工序，也就减少了因处理不当导致的故障率。

可靠的光纤密集部署示例

‌        康宁拥有光纤配置和部署的丰富经验，能够在狭小空间内实现密集的弯曲部署。例如，我们专为数据中心开发了 康宁EDGE™解决方案 ，该方案包括一个可容纳576根光纤的1RU箱体，它仅受限于前面板上的连接器密度，而非箱体中的光纤数量。此外，康宁的 各种拼接管理盒 也能满足在狭小空间内容纳大量光纤的需求，还能保护PON接头，避免因人为失误或极端温度而受到损坏。

写在最后

       通过科学的设计和组装，可实现共封装光学系统的光纤基础设施的高可靠性和可扩展性，这是扩大CPO技术应用和提高AI网络性能的关键。通过了解和减少光纤的失效机制，并遵循适宜的布局和处理指南，能够确保光纤连接的整体可靠性。

       此外，利用可容纳小弯曲半径的光纤、预连接组件和预组装光纤盒，可简化系统配置、设计和组装，有助于确保CPO网络的持续高性能。CPO拥有光明的应用前景，必将把人工智能应用推向新的高度。

       《赋能人工智能的未来：优化共封装光学光纤基础设施》是由康宁与博通联合发布的白皮书。点击此处阅读白皮书全文。您也可以打开相关网页，了解有关康宁创新数据中心或CPO解决方案的更多信息。