WDM（波分复用，现代光通信的核心技术之一）在数据传输方面前景很光明。铜缆一直是人工智能和高性能计算数据中心内部传输数据的主力，但光纤应用正变得越来越重要。

光通信有三种可能的带宽倍增技术：波分复用（WDM）、使用不同模式和偏振。每种技术在长距离光链路中都有其作用，但在数据中心中的情况则不同。WDM有望提升带宽，而其它选项更难实现，而且可能还不需要。

带宽倍增技术

最简单的光信号是传输前经过调制的相干激光束。带宽由调制决定。光束充当信号的载体。该光束本身具有与带宽分离的频率。

与电子行业以时钟频率为王不同，光学领域的核心要素恰恰相反。这里的关键指标是波长（通常称为λ）。光纤的λ值既要满足激光源的兼容性要求，也要符合该波长下的传输特性，因为各类损耗机制都具有波长依赖性。严格来说，λ值与带宽并无直接关联，就像调幅（AM）或调频（FM）广播中载波频率与内容频率无关那样。但这里有个前提条件，在等效频率下，λ值必须远高于带宽值。

在此基础上，有三种现象可以使带宽加倍：

1，WDM技术能在单根光纤中实现多路复用。 Synopsys接口IP产品管理总监Priyank Shukla解释道：“同根光纤就能承载更多数据，不需要多根并行光纤。”这种技术通过不同颜色形成独立信道，其扩展倍数取决于所使用的颜色数量。

2，某些光纤中的光可以以不同的模式“振动”，就像吉他弦、小号或克拉德尼板一样。如果不同的模式可以独立调制，那么每个模式就成为一个通道。带宽就会乘以所使用的模式数量。

3，存在两种可能的极化，称为横向电（TE）和横向磁（TM）。如果分别调制其中一种，这可以将带宽增加一倍。

使用多模模式需要多模光纤，其直径（>50µm）比单模光纤更大(~10µm）。更大的“管道”允许更多模式传播。由于光纤体积更大，光的输入输出更为便捷，因此可以使用成本更低的光源和接收器。这种技术有时被应用于数据中心，作为超短距离链路的VCSEL光源。

Shukla说：“你可以用不同的方式激发光，所以你就会得到不同模式的波，这意味着在同一根光纤中，你可以传输更多的数据。VCSEL在多模光纤中工作得很好，而且VCSEL可以说是成本最低的技术。”

但这些模式并非彼此独立。Lightmatter公司首席执行官Nick Harris解释道：“如果多模光纤长时间传播光，在经历各种扰动和环境相互作用后，最终该光纤各空间模式中的光量子数会遵循玻色-爱因斯坦分布，不同模式之间会产生耦合与散射现象。因此如果在这些模式中精心编码了信号，只要对所有模式进行加密处理，就无法解密。”

这表明WDM是一种更可靠的方式来提高带宽，而不会在一定距离之外造成混乱。模式也必须独立调制。Volantis半导体公司创始人兼首席执行官Tapa Ghosh认为模式复用通常非常困难。

此外，VCSEL比其它激光器更不线性，这使得它们更难补偿。Shukla说：“在单模光纤中，你可以用不同种类的激光器，比如直接调制激光器（DML），它们更容易补偿。”

与此同时，偏振态问题也存在类似挑战。特别是TE（传输模式）和TM（横模）信号传播速度不同，给接收端带来难题。Ghosh指出：“大多数光学系统都具有偏振依赖性，波导系统更是如此。TE和TM模式不仅具有不同的偏振传播方向，还存在差异化的损耗特性与折射率参数。而光栅耦合器同样无法实现偏振独立。”

Harris认为当在横跨全国或海底铺设光纤时，会想用这些极端的复用技术，因为光纤的成本高得离谱。但在数据中心，光纤可以便宜且大量使用。

在数据中心领域，波分复用技术（WDM）基本被弃用，目前主流方案是采用单模单色光纤（或用于超短距离传输的多模光纤）。阻碍其普及的部分原因在于部署成本较高。每种颜色的光都需要配备专用激光器，且各激光器发出的光必须接入同一根光纤。大多数架构都需要某种交织器，而这种设备本身的能耗就相当于整条链路端到端总能耗的三倍左右。

现在的调制技术主要采用Mach-Zehnder调制器（MZM）或电吸收调制器（EAM）。这些设备都是用铌酸锂或其它材料制成的。它们完全不具备波长选择性，无法进行任何调谐，所以必须搭配损耗大、体积大的多路复用电路才能实现调制。”

微环谐振器的出现是调制和解调波分复用信号中单个颜色的一种手段。这些环很小，每个都可以调谐到不同的颜色。

Harris说：“我们使用微环调制器，这个调制器有两个用途。它既执行多路复用和解复用，也对数据进行编码。所以不需要单独的多路复用器。它已经内置在调制设备中了。微环谐振器需要两个控制单元：一个用于调制光信号，另一个则负责波长的调节与稳定。其中一个单元专门用于数据编码，速度非常快，大约能达到50+GHz。另一个单元反应速度较慢，主要用于应对环境变化。我们用它来控制谐振环以实现稳定。”

调制是通过等离子体色散实现的。等离子体色散基于电子和空穴进入光路的物理原理。实际上，它看起来就像一个位于环中的二极管，这是业界公认的一个原理。至于电子设备如何与调制器连接，SerDes将直接将其输出驱动到环形高速输入端。

如图1所示，当传输时，未调制的多色连续波光束会穿过微环。每个微环从主光束中提取其颜色，对该颜色进行调制，然后将其重新注入光束中。这样一来，它们同时实现了调制和复用功能，无需为这些功能单独配置组件。

图1：在传输过程中，微环既对每种颜色进行调制，又将颜色复用到一束光中。（来源：Lightmatter）

在接收端，调制信号经过微环后，每个信号都会从接收到的光束中提取颜色。因此，微环起到解复用波分复用光束的作用，将每个信号发送到其正确的目的地。

这种结构可以降低数据传输功耗。包括激光器、信号线以及Lightmatter公司的所有光子技术在内的整个连接链路，功耗仅为4.6皮焦/比特。可插拔式收发器的功耗为15到20皮焦/比特，因此总功耗节省了3到4×倍。

WDM保护带

波分复用（WDM）技术通常指在激光束中使用多色光的通用概念。当前数据中心讨论的技术通常属于粗波分复用（CWDM），因为其色数有限，通常最多只能支持十几种颜色。而密集波分复用（DWDM）则能承载更多颜色，可能超过100种。这种技术通过缩小信道频率宽度，在相同频段内集成更多信道，从而实现更高密度的光信号传输。

考虑到数据中心内传输的光纤数量庞大，最具成本效益的方案自然会受到最广泛采用。虽然密集波分复用（DWDM）技术的建设成本更高，但鉴于目前数据中心尚未部署过波分复用技术，这种方案可能并不必要。目前已有包括Ayar Labs, Lightmatter, 和NVIDIA在内的多家企业正在研发数据中心波分复用技术，这些公司在最近的热芯片大会上都展示了各自的最新研究成果。

波分复用技术面临的一个挑战，是激光器的温度稳定性问题。常规部署中通常为每种颜色配置独立激光器，但这些激光器可能会各自产生轻微偏移，每个设备都会向相邻颜色方向漂移，且这种偏移是独立发生的。为此，信道波长窗口必须设置保护带，防止不同颜色的激光相互干扰。

组合激光器有时被讨论为解决这个问题的方案，因为它们从一个源产生所有颜色。这意味着，如果它们漂移，它们都会一起漂移，从而有可能减少一些保护带，并将其重新变为可用的带宽。

不过，光梳的挑战在于效率。Harris说：“梳状结构不是一个好主意。原因是转换效率非常低。最好在激光阵列后面放一个多路复用器。通过主动控制和稳定独立激光器可以减少漂移。Lightmatter公司用它的Guide激光器做到了这一点。所有的激光器都经过主动控制、监控、稳定，并且它们是集成的。”

然而，可靠性仍然是一个问题。Harris解释说：“当你加热激光器时，FIT（时间故障率）会变得更糟。如果它坏了，你还需要它能被替换。”

这决定了激光器的安装位置。目前大多数共封装光学器件（CPO）的设计方案都是将激光器置于封装体外部，通过隔离封装内芯片产生的热量来增强稳定性，并在激光器故障时便于更换。随后通过光纤将激光传输至封装体内。这种设计模式特别适合波分复用技术，因为所有颜色信号都能通过单根光纤实现。

如果CPO最终将激光源集成到封装内部，波分复用技术（WDM）的实现难度将大幅提升，因为所有颜色都需要在封装内配置激光器。不过在这种情况下，单色方案反而更容易实现。 Fraunhofer IIS自适应系统工程部高效电子部门负责人、先进系统集成团队负责人Andy Heinig表示：“从封装设计的角度来看，单色方案更具可行性。这意味着将激光器集成到封装中会大幅压缩带宽，这可能成为保持激光器独立布局的又一关键考量。

WDM应用广泛

面向数据中心的WDM网络正在紧锣密鼓地设计中，预计2027或2028年正式部署。虽然该技术可应用于各类数据中心工作负载，但现阶段主要聚焦于高性能计算（HPC）和人工智能领域。尽管当前重点在于这些方向，但未来若带宽需求增长，该技术也可逐步拓展至其它数据中心。目前大多数数据中心仍会尽可能长期坚持使用铜缆，且优先选择适用场景中的现有设施。

带宽需求确实持续增长，但这并非普通云应用的主要限制因素。对于高性能计算（HPC）和人工智能领域而言，带宽才是真正的瓶颈。波分复用技术（WDM）已成功实现八色载波传输，多家企业正准备部署16色载波方案，这将使单凭WDM技术就能实现带宽增长的十六倍跃升。正因如此，目前模式与偏振技术尚无必要引入，这实属幸运，毕竟这类技术的实施难度更大。

铜材料的设计也更容易，因为大多数设计工具都聚焦于硅和金属，而非光子学。高质量的设计需要配置波导和光子组件，并通过波导验证信号质量。波分复用意味着在同一波导中验证多个信号，而不仅仅是一个。

现任职于Ansys（Synopsys的公司）的应用工程高级经理Sandra Gely表示：“我们正不断加大投入，开发能在光子学领域进行设计的工具，同时兼顾电子元件。此外我们还拥有连接性优化工具，当需要将芯片信号传输至光纤时，能确保信号不会丢失。”

模式和偏振当然可以进一步增加光带宽，但波分复用技术已经获得了很大的发展空间。波分复用技术（WDM）是解决光通信带宽瓶颈的重要手段之一。