在當今信息爆炸的時(shí)代，數據中心、5G通信、云計算和人工智能等技術(shù)的迅猛發(fā)展，對數據傳輸的速度與效率提出了前所未有的高要求。作為支撐這些關(guān)鍵技術(shù)的核心器件之一，光開(kāi)關(guān)正逐漸從實(shí)驗室走向產(chǎn)業(yè)應用，成為現代高速光網(wǎng)絡(luò )中不可或缺的關(guān)鍵組件。

一、什么是光開(kāi)關(guān)？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光開(kāi)關(guān)是一種能夠控制光信號路徑切換的光學(xué)器件。它可以在不同的輸入端口和輸出端口之間建立或斷開(kāi)光路連接，實(shí)現光信號的路由選擇、保護倒換、波長(cháng)管理等功能。

你可以把它類(lèi)比為傳統電路中的“電閘”——只不過(guò)這個(gè)“閘”控制的是光信號而不是電流。當需要改變數據流向時(shí)，光開(kāi)關(guān)會(huì )以極快的速度完成通道切換，確保信息高效、低延遲地傳輸。

隨著(zhù)數據中心流量年均增長(cháng)超過(guò)25%，傳統電交換機已接近功耗極限（約300W），難以滿(mǎn)足未來(lái)超大帶寬、超低時(shí)延的需求。而光交換技術(shù)憑借高容量、低功耗、低延遲的優(yōu)勢，被認為是下一代數據中心網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)的重要方向。

正如浙江大學(xué)該篇碩士論文摘要中指出：“光交換技術(shù)具有高容量、低延時(shí)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，符合當下數據中心對新一代交換技術(shù)的需求?！?/span>

因此，研究并制造高性能、可擴展性強的大規模陣列光開(kāi)關(guān)，已成為國內外科研機構和企業(yè)競相布局的重點(diǎn)領(lǐng)域。

二、光開(kāi)關(guān)的基本工作原理

要理解光開(kāi)關(guān)的工作機制，首先要了解它是如何通過(guò)物理效應來(lái)調控光信號的。

根據調制方式的不同，主流光開(kāi)關(guān)主要依賴(lài)以下兩種物理效應：

1.熱光效應（Thermo-OpticEffect）

熱光效應是指材料的折射率隨溫度變化而發(fā)生變化的現象。在硅基光子學(xué)中，常用二氧化硅包覆的硅波導結構，通過(guò)在波導上方集成微加熱器，局部加熱使波導區域的折射率發(fā)生改變，從而實(shí)現相位調制。

典型應用是熱光型馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI）結構。在一個(gè)MZI中，輸入光被分成兩束，在兩個(gè)臂上傳播后重新合并。當其中一個(gè)臂被加熱產(chǎn)生π相移時(shí)，兩束光發(fā)生相消干涉，輸出端口切換，實(shí)現“開(kāi)”與“關(guān)”的狀態(tài)轉換。

這種開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是結構穩定、易于集成，但缺點(diǎn)是響應速度較慢（通常在微秒級），功耗相對較高。

InGaAs/InP材料2x2開(kāi)關(guān)單元結構

2.電光效應（Electro-OpticEffect）

電光效應則是利用外加電壓改變材料折射率，進(jìn)而調控光信號路徑。在硅基平臺上，由于硅本身不具備顯著(zhù)的線(xiàn)性電光效應，研究人員多采用載流子色散效應（PlasmaDispersionEffect）來(lái)實(shí)現高速調制。

通過(guò)在PN結或PIN結構上施加正向偏壓，注入自由載流子，改變硅波導的有效折射率，從而實(shí)現快速相位調節。這類(lèi)開(kāi)關(guān)響應速度快（可達納秒甚至皮秒級），非常適合用于動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò )。

例如，論文中提到的基于PIN結構的電光開(kāi)關(guān)單元，測試顯示其串擾低于-29dB，插入損耗約1.1dB，具備良好的高速性能。

16x16 Benes網(wǎng)絡(luò )光開(kāi)關(guān)陣列芯片結構圖

三、光開(kāi)關(guān)的主要分類(lèi)

按照不同的標準，光開(kāi)關(guān)可以分為多種類(lèi)型。以下是幾種常見(jiàn)的分類(lèi)方式：

（一）按工作原理分類(lèi)

其中，硅基熱光與電光開(kāi)關(guān)因兼容CMOS工藝、易于大規模集成，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。

（二）按集成平臺分類(lèi)

• 硅基光子集成平臺（SOI）：成本低、尺寸小、易與電子電路單片集成，適合大規模生產(chǎn)。

• III-V族材料平臺（如InP）：具有優(yōu)異的電光性能，但成本高、難集成。

• 氮化硅（SiN）平臺：超低損耗、寬透明窗口，適合長(cháng)距離傳輸。

• PLC平臺（平面光波導）：成熟商用，常用于32×32以下陣列，但擴展性有限。

32×32 Benes網(wǎng)絡(luò )拓撲結構圖解

（三）按網(wǎng)絡(luò )拓撲結構分類(lèi)

大規模陣列光開(kāi)關(guān)通常采用特定的互連網(wǎng)絡(luò )結構，以保證任意輸入均可無(wú)阻塞地連接到任意輸出。

常見(jiàn)結構包括：

• Crossbar交叉矩陣：全連接，無(wú)阻塞性能最好，但復雜度高（N2個(gè)開(kāi)關(guān)單元）

• Benes網(wǎng)絡(luò )：遞歸結構，可重構且嚴格無(wú)阻塞，所需開(kāi)關(guān)單元少

• Spanke-Benes網(wǎng)絡(luò )：Benes的改進(jìn)版，進(jìn)一步降低插入損耗

• Dilated-Bene結構：增加中間級提升靈活性

論文中重點(diǎn)研究的就是128端口Benes網(wǎng)絡(luò )熱光陣列開(kāi)關(guān)，這是目前除MEMS外最大規模的硅基可重構無(wú)阻塞網(wǎng)絡(luò )。

240×240 MEMS Crossbar網(wǎng)絡(luò )光開(kāi)關(guān)實(shí)物圖

四、大規模陣列光開(kāi)關(guān)的技術(shù)挑戰

盡管光開(kāi)關(guān)前景廣闊，但在實(shí)際研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中仍面臨諸多難題。

結合論文分析，主要有以下幾個(gè)方面：

1.插入損耗隨端口數增加而急劇上升

隨著(zhù)陣列規模擴大，光信號需經(jīng)過(guò)多個(gè)開(kāi)關(guān)單元和交叉波導，每一步都會(huì )引入額外損耗。若不加以?xún)?yōu)化，總損耗可能高達幾十dB，嚴重影響系統信噪比。

解決方案包括：

• 設計低損耗2×2耦合器（如MMI或多模干涉儀）

• 使用低串擾交叉波導結構

• 引入半導體光放大器（SOA）進(jìn)行增益補償

論文中設計的2×2熱光開(kāi)關(guān)單元插入損耗僅為0.25dB，在整個(gè)40nm波長(cháng)范圍內串擾優(yōu)于-20dB，表現出優(yōu)異的寬帶性能。

2.光電封裝難度大

大規模陣列往往擁有上千個(gè)電學(xué)引腳（如本項目達1690個(gè)），如何實(shí)現高密度布線(xiàn)、散熱管理及可靠連接是一大挑戰。

論文創(chuàng )新性地設計了硅轉接板，解決了高密度引腳扇出問(wèn)題，并配合PCB驅動(dòng)電路模塊化設計，實(shí)現了對上千通道的精確控制。

3.偏振相關(guān)性問(wèn)題

大多數硅波導對TE和TM模式的響應不同，導致器件性能受偏振態(tài)影響。理想情況下應實(shí)現偏振無(wú)關(guān)操作。

部分研究嘗試采用雙層光柵、混合集成等方式緩解此問(wèn)題。例如中山大學(xué)團隊利用鈮酸鋰與硅混合集成，實(shí)現了偏振無(wú)關(guān)的2×2光開(kāi)關(guān)。

鈮酸鋰與硅混合集成偏振無(wú)關(guān)光開(kāi)關(guān)結構

五、國內外研究現狀對比

下表總結了近年來(lái)全球范圍內代表性的大規模光開(kāi)關(guān)研究成果：

從中可以看出：

• UCBerkeley的MEMS方案實(shí)現了240×240最大端口數

• IBM首次實(shí)現8×8單片集成光電驅動(dòng)

• 日本AIST的32×32熱光開(kāi)關(guān)達到較低片上損耗（6.1dB）

• 本論文實(shí)現的128端口Benes網(wǎng)絡(luò )熱光開(kāi)關(guān)，是當時(shí)除MEMS外最大規模的硅基可重構無(wú)阻塞陣列

這標志著(zhù)我國在硅基光子集成領(lǐng)域已具備國際競爭力。

六、光開(kāi)關(guān)的發(fā)展趨勢與未來(lái)

綜合來(lái)看，未來(lái)大規模陣列光開(kāi)關(guān)的發(fā)展將呈現以下趨勢：

1.向更高集成度演進(jìn)

追求更大規模（如256×256甚至1024×1024）、更低功耗、更小體積的一體化芯片。

2.多材料異質(zhì)集成

單一材料難以兼顧所有性能指標。未來(lái)的芯片或將融合硅、氮化硅、III-V族材料、鈮酸鋰等，發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢。

3.單片集成驅動(dòng)電路

將控制邏輯、驅動(dòng)電源、監測單元等直接集成在同一芯片上，提升可靠性與響應速度。

4.智能化控制與自動(dòng)化測試

開(kāi)發(fā)配套的上位機程序與自動(dòng)校準算法，提高調試效率與量產(chǎn)可行性。

七、光開(kāi)關(guān)，正在重塑信息世界

從實(shí)驗室走向產(chǎn)線(xiàn)，從理論走向應用，光開(kāi)關(guān)正逐步替代傳統的電交換設備，成為構建綠色、高效、智能數據中心的核心力量。

擇合適的光開(kāi)關(guān)等光學(xué)器件及光學(xué)設備是一項需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應商實(shí)力的工作。希望本指南能為您提供清晰的思路。我們建議您在明確自身需求后，詳細對比關(guān)鍵參數，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術(shù)扎實(shí)、質(zhì)量可靠、服務(wù)專(zhuān)業(yè)的合作伙伴。

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（注：本文部分內容由AI協(xié)助習作，僅供參考）

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