終結光纖線纜時代，紅外激光“隔空傳輸”數據引發革命！

光在一個數據中心機房內，成百上千的光纖電纜將服務器機架“重重包圍”。為何不把這些電纜都丟掉，然後給每個服務器機架頂部裝上紅外激光器？

但是，我們還可以給更多機架裝上感光接收器，以接收激光器發送的數據，再放置一些可移動的小鏡子以改變光的發射方向，繼而實現在一瞬間重新配置整個係統。

以上描述並不是異想天開，而是賓夕法尼亞州立大學電子工程學教授Mohsen Kavehrad目前正在進行的研究。他的研究團隊已經在實驗室裏為這種紅外線激光數據傳輸模式搭建了一套原型係統。

Kavehrad教授實驗室裏的紅外線激光信號傳輸係統原型

Kavehrad教授打了個比方：“現有的數據中心亂得像一片叢林，服務器之間有數不清的光纖線。”他希望有一天，這種激光器可以取代現代數據中心常見的光纖電纜。

實際上，在光纖電纜中使用紅外信號傳輸數據已經很常見了，但Kavehrad想做的是直接在空氣中用紅外信號傳輸數據。借助他設計的係統，紅外激光能以每秒10千兆比特的速度進行數據傳輸。他將這套係統命名為“螢火蟲（Firefly）”。因為螢火蟲可以通過閃光進行交流，而係統名稱正是來源於此。

紅外線激光束射入信號接收係統

Kavehrad教授針對這個新方法已經發表了多篇文章，並於近日在舊金山舉行的美國西部光電展上演示了最新研究成果。

在演示中，Kavehrad用激光器生成了一種1550納米波長的紅外信號——這正是光纖電纜常見的波長。接著，他對這一信號進行了“波分複用”處理，這種技術能將不同波長的信號匯合到同一束激光上。之後，他通過成本低廉的透鏡對激光進行傳輸。

在距第一個透鏡約15米遠的地方，他放置了第二個透鏡和若幹個光電二極管接收器。為了控製激光的走向，Kavehrad還用到了一些小鏡子；這些鏡子直徑僅為2毫米，由微電子機械係統（MEMS）提供動力。他構想的這種數據鏈路是雙向的——兩端皆可發送和接收數據。

安裝了微型反射鏡的兩種不同的微電子器件，一種用於紅外線激光定位，一種用於傳輸信號

此外，Kavehrad的團隊還用相同的設備成功傳輸過電視信號。他們將1千兆赫的有線電視信號輸入多路複用器；這樣一來，電視信號和其它數據會由同樣的激光傳輸。在另一端，他們放了一個LED電視以收看接收到的電視頻道。

同如今廣泛使用的光纖電纜、路由器和交換機係統相比，Kavehrad教授的方法可以提供同等、甚至更好的帶寬和吞吐量（取決於數據中心有多少數據鏈路）。他說，得益於激光器和光電探測器的發展，這種紅外信號傳輸係統可以輕鬆處理數萬億字節的數據。

安裝了微型反射鏡的微電子器件，用來將激光折射到接收器中

據統計，美國數據中心的用電量占到了全國總用電的2%左右，其中大部分電力用於冷卻約40萬台服務器。但在任意時間點都有大約30%的服務器處於閑置狀態，這意味著大量的能源都用於冷卻閑置的服務器。

Kavehrad認為，紅外激光器能讓數據中心管理人員更輕鬆地重新布置服務器機架。這樣的話，所有需要冷卻的服務器就可以放在同一區域，而不是四處分散。目前，很多大型互聯網公司都將數據中心能耗成本，作為機房選址的最重要考量標準之一。比如，Google就將“大量廉價電力”做為數據中心選址的首要條件。

數據中心機房冷卻消耗大量的電能

當然，目前還很難評估這套紅外激光器到底能節約多少能源，而且安裝激光器是否有足夠的性價比亦未可知。Kavehrad教授花了約兩萬美元搭建原型係統，不過他預計，如果有大公司願意投資，或者集成電子學繼續有所突破，這套係統的設備成本會迅速大幅下降。

數據中心能效專家Jonathan Koomey表示，Kavehrad教授的構想是否能為Google或Netflix所用尚未可知，但他或許應該先在較小的市場試水：比如超級計算機領域。他補充說：“即使不能被廣泛使用，有一些重要的技術領域也許用的上這種構想。”

超級計算機機房或許將成為紅外激光器的潛在應用場景

在測試紅外激光器之前，Kavehrad和他在石溪大學以及卡內基·梅隆大學的同事曾經測試高頻毫米波能否代替電纜。在電磁波譜上，高頻毫米波介於紅外線和常用無線電波之間。遺憾的是，傳輸距離一旦超過10米，高頻毫米波就會衰減或失去作用。對此，Kavehrad的解釋是由於幹擾太強導致的。

接收器捕捉到紅外信號後會將其導入光纖，並傳輸到最終接收端

為了保險起見，當他的團隊轉而測試紅外激光器時，他們特意配備了信號放大器，以提升信號強度。然而，事實證明這完全是多此一舉。

令人意外的是，紅外信號太強了，以致於他們不得不在接收器端削弱信號強度，然後再讓設備對信號進行處理。Kavehrad教授說：“如果信號好到你都要進行削弱處理了，那就證明測試其實已經挺成功了。”

盡管如此，還是有幾個問題急需解決，比如震動。服務器機架在處理和傳輸數據時，由於內部器件同時工作，會產生震動。研究團隊非常擔心這種震動會影響激光的準確性，因為“震動匯聚的信號會導致嚴重的數據丟失。”

目前，Kavehrad教授和研究團隊正在對原型係統進行結構優化，來盡可能消除這類外在因素的影響。

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