如果你想要在超过几厘米的通信距离上发送高速率的信号，光通信方案是最为明智的选择。如果你把视野放大，遴选各种方案，至少现在，光通信的优势很明显。无论是在每比特消耗的能量上还是在比特密度上，光通信总是领先于其它方案。

但是，如果考虑光学信号和电子信号之间的转换带来的额外成本和复杂性时，光通信就不那么占优了。所以，现在出现了很多使用越来越奇特的材料和信号处理技术将数据通过串行器导入到电子线路中的技术。

你可以在数据中心计算领域看到光通信的经济性是如何影响系统设计的。数据中心计算领域的一个主要发展趋势是将计算任务合理地分配到整行的服务器机架中。所以，它们需要使用光学技术实现数据的远程传输，但是，这些光信号需要首先在前面板处经过光电转换，才能接到服务器本身的交换芯片和SoC上。

“我们的数据中心市场客户现在仍然要进行光电转换，他们希望利用现有的光模块基础设施。”连接器制造商Samtec的技术营销经理Matt Burns说。

数据中心运营商通常使用基于通用标准设计的可插拔小型（SFP）光模块来处理电光转换。标准模块意味着更低的采购价格，面向更广泛的供应商，同时彰显了将继续支持这种格式很多年的信心。

但是，信号能否顺利连接到前面板后面的电路板是问题的另一个维度。利用早期的串行数据链路和1Gbit/s的以太网等技术，人们可以实现将电信号通过PCB传输。但是，由于芯片制造商在FPGA和SoC中集成了支持PCI Express和10/100Gbit/s以太网协议的先进收发器，使用PCB将信号连接到交换芯片和SoC芯片时遇到了信号完整性问题。

在今年春季举行的光纤通信会议上，Acacia通信公司的创始人兼首席技术官Benny Mikkelsen描述了Facebook等数据中心所有者面临的第二个问题：向计算版提供充足的光信号连接需要多大的前面板空间。

有些必须转向2U宽或者更宽的面板，以使得可以插拔多个小型光模块连接器，即使很多人采用的小型光模块已经采用了四密度（QSFP）版本，前面板空间需求依然不小。“我们可以继续将光学器件放在前面板上，或者采用板上光学器件，或者采用共同封装技术把它放在一个芯片内。” Mikkelsen说。

片上光通信科技依然处于起步阶段

目前，尽管业内有很多正在进行中的项目，将光通信集成到芯片封装内的技术研究仍处于起步阶段。这些项目包括国际电子制造联合会（iNEMI）发起组织的集成光子系统路线图工作组。还有即将被思科收购的Acacia等公司，正在寻求使用基于小芯片的3D堆叠技术构建下一代光电收发器。

Molex光学解决方案事业部先进技术开发总监Tom Marrapode指出，“光纤到芯片”可以节省大约30%的能耗：“能真正取得最大效果的方案是共同封装的光学器件。 但是，片上光学器件或者将光学器件和芯片做到同一个封装内肯定存在一些重大的技术挑战。这种技术的解决时间可能在2025年左右。”

总速率可达50Tbit/s的交换机环境中的芯片可能需要数百个光纤连接。这就导致了今天的光纤制造方式与将光学连接带到芯片封装中所需的方式之间的不匹配。

Marrapode表示，可能需要波分复用的组合，以便在小直径光纤束的单根光纤上连接多个通道。

“硅光子器件之间的间距可能非常小，也许现在的光纤直径有些大，不适合这种间距。而且你可能希望把你的激光器放得远一些：你不能把它们放在发热的交换芯片封装的旁边，”他解释道。尽管不必像小型光模块那样支持用户可插拔，这里的连接器也必须能够相对容易地在工厂中组装。

现在的问题是不知道到2025年之前会发生什么，这得取决于整个行业的发展。伯恩斯表示，在云计算领域之外，比如高端高端医疗、军事和航空航天领域的客户正在利用“中板光学”技术。 Marrapode指出，电信交换机的设计中已使用这种技术多年，以实现到交换IC的高密度连接。

中板光学方法使用了带有内置电光转换器的连接器，插入到尽可能靠近serdes收发器的插座上。 然后，来自连接器的高架光纤将信号传送到前面板中的光学背板或可插拔光纤连接器上。 伯恩斯说，这种技术的一个常见应用是在更长的距离上实现PCI Express等协议。 “这种方法不局限在任何通信协议上。”伯恩斯指出。

中板方案使用高架光纤将光学信号从连接器传输到一个光学背板上或者可插拔的光纤连接器上

Marrapode称，速度优势并不足以驱使人们选择中板光学技术。相反，主要的决定因素是人们认识到铜连接不能提供系统所需的可扩展性。 “当人们说'我需要在整个系统中都使用光信号'时，这才是选择中板光学技术的时候。”他说。

伯恩斯表示，相较于数据中心市场上的客户，军事和医疗领域的客户不怎么关心多源采购。 “他们不必与其他供应商合规。”

对于数据中心系统来说，客户更愿意一直在前面板上使用可插拔连接器，直到他们需要寻找那些广泛采购的模块的替代品时为止。

Marrapode指出，将光学引入到器件的封装中，将给系统设计人员带来一些麻烦。

理想情况下，系统设计人员希望能够同时支持电气和光学链路，以满足从几米到几千米之间的各种距离。对于前面板上部署可插拔转换器的传统方案而言，这非常简单。但是对于在器件封装内集成光学技术的新方案则不然，供应商可能必须提供不同的板子，使用不同的光电集成器件，才能适应不同的距离。

双密度版本的QSFP连接器上封装了多个收发器，暂时减缓了前面板上金属件的增长。基于铜双轴布线和类似方法的高等级高架光缆的出现有助于实现这一目标。这些高架光缆可以在从SoC或交换芯片到电路板前面板的距离上支持速度高达56Gbit/s的PAM4等协议。如果不使用光缆，而是在PCB上的FR4材料上传输的话，将使得信号降级太多。 Samtec的萤火虫等产品使用了与前述中板光学连接器相同的信号传输方式，但与传统的前面板SFP模块之间使用的是电气连接。

Marrapode说，屏蔽双芯的高架线缆的的另一个优势是它们为前面板设计提供了更大的灵活性：机壳不再受PCB式的板上连接器的限制。 “屏蔽双芯的高架线缆传输方案看起来非常有吸引力：它性能很好，可能是到交换芯片中集成光子技术之间过渡的垫脚石，”他说，并略微沮丧地说道：“这是对光学器件系统的又一次反推。似乎总有一些东西可以取代集成性的光学器件。”

但是，当串行链路速度上行到112Gbit/s，并且出现50Tbit/s的交换芯片时，最终可能会迫使设计人员向集成性的光学器件过渡，Marrapode补充道。 到那时，就无法避免直接的光学连接了。五年内，将出现针对小芯片3D堆叠技术的光电连接器。