在當今高速發(fā)展的信息時(shí)代，數據中心的規模和數據吞吐量呈指數級增長(cháng)。面對日益增長(cháng)的數據交換需求，傳統的電互聯(lián)與電交換技術(shù)逐漸暴露出功耗高、延遲大、帶寬受限等瓶頸問(wèn)題。為突破這些限制，光互連取代電互連、光交換替代電交換已成為構建低功耗、可持續數據中心的重要方向。而在眾多光交換技術(shù)中，硅基光開(kāi)關(guān)與MEMS光開(kāi)關(guān)作為當前最具代表性的兩類(lèi)方案，正展開(kāi)一場(chǎng)關(guān)于“未來(lái)主流”的激烈角逐。

一、我們需要更快的光開(kāi)關(guān)

隨著(zhù)5G、人工智能、云計算等新興技術(shù)的普及，數據中心內部的數據流量急劇上升。傳統基于銅纜的電互聯(lián)方式已難以滿(mǎn)足超高帶寬和低延遲的需求。而光互連憑借其低串擾、低延時(shí)、大容量等優(yōu)勢，成為解決這一難題的關(guān)鍵路徑。

其中，光開(kāi)關(guān)是實(shí)現光路動(dòng)態(tài)調度的核心器件，廣泛應用于光交叉連接（OXC）、波長(cháng)選擇開(kāi)關(guān)（WSS）、數據中心互連（DCI）等場(chǎng)景。

一個(gè)理想的光開(kāi)關(guān)應具備以下特性：

• 高端口數支持

• 低插入損耗

• 快速切換時(shí)間（遠小于1ms）

• 小體積、低功耗

• 易于大規模集成

目前市場(chǎng)上主流的光開(kāi)關(guān)技術(shù)主要包括三類(lèi)：

1. 空間型光開(kāi)關(guān)（如3D-MEMS）

2. 平面光波導型光開(kāi)關(guān)（PLC平臺）

3. 集成波導型光開(kāi)關(guān)（如硅基光電子）

在這三者之中，MEMS光開(kāi)關(guān)長(cháng)期占據商用市場(chǎng)主導地位，而硅基光開(kāi)關(guān)則被視為最具潛力的顛覆性技術(shù)之一。

二、MEMS光開(kāi)關(guān)：成熟但面臨瓶頸

MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）光開(kāi)關(guān)利用微機電系統控制鏡面偏轉，從而實(shí)現光路的切換。根據結構不同，可分為2D-MEMS和3D-MEMS兩種類(lèi)型，其中3D-MEMS因可支持上百個(gè)端口，在大型光網(wǎng)絡(luò )中應用廣泛。

優(yōu)點(diǎn)：

• 技術(shù)成熟，已有多年商用歷史

• 支持百端口級交換能力

• 光纖到光纖插入損耗低（約幾dB）

• 對偏振不敏感

缺點(diǎn)：

• 切換時(shí)間慢：通常在毫秒級別（>1ms），無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)調度需求

• 體積較大：依賴(lài)機械運動(dòng)部件，難以進(jìn)一步微型化

• 可靠性受環(huán)境影響：振動(dòng)、溫度變化可能影響鏡面精度

• 難以與CMOS工藝兼容：不利于片上系統集成

“這兩種光開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間幾乎都在毫秒級，極大的限制了其在數據中心的應用?！彪m然MEMS在穩定性方面表現優(yōu)異，但在追求極致效率的數據中心場(chǎng)景下，其響應速度已成為致命短板。

三、硅基光開(kāi)關(guān)：新一代高速光交換的希望

相比之下，硅基光開(kāi)關(guān)基于絕緣體上硅（SOI）平臺，采用集成光波導結構，通過(guò)熱光效應或載流子色散效應實(shí)現相位調制，進(jìn)而完成光路切換。該技術(shù)的最大優(yōu)勢在于其與現有半導體制造工藝的高度兼容性。

核心優(yōu)勢：

1.超高速響應

集成光波導型光開(kāi)關(guān)可實(shí)現微秒至納秒級的切換速度，遠超MEMS的毫秒級水平。例如，英國劍橋大學(xué)MinshengDing等人在三五族平臺上設計的4×4DilatedBenes架構陣列光開(kāi)關(guān)，實(shí)現了約6ns的開(kāi)關(guān)時(shí)間——這正是未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò )所必需的速度。

硅基4x4陣列光開(kāi)關(guān)結構圖

2.高集成度&小尺寸

硅基光開(kāi)關(guān)采用CMOS兼容工藝，可在單芯片上集成數百甚至上千個(gè)開(kāi)關(guān)單元。論文中提到的設計包括128×128 Benes網(wǎng)絡(luò )熱光開(kāi)關(guān)芯片，充分展示了其在大規模陣列方面的潛力。

3.低功耗&低成本

相比需要驅動(dòng)微鏡運動(dòng)的MEMS，硅基光開(kāi)關(guān)使用熱光或電光效應調控，所需驅動(dòng)電壓更低，靜態(tài)功耗更小。同時(shí)，借助成熟的集成電路生產(chǎn)線(xiàn)，有望大幅降低量產(chǎn)成本。

四、關(guān)鍵技術(shù)對比：性能參數一覽表

從上表可以看出，硅基光開(kāi)關(guān)在響應速度、集成度和功耗方面具有壓倒性?xún)?yōu)勢，尤其適合用于對實(shí)時(shí)性要求極高的數據中心內部互連。

五、國內外發(fā)展現狀：誰(shuí)走在前列？

國外進(jìn)展迅速

• 英國劍橋大學(xué)：2018年，MinshengDing團隊基于三五族材料平臺開(kāi)發(fā)出4×4DilatedBenes架構光開(kāi)關(guān)，

  實(shí)現6ns切換時(shí)間、串擾<-47dB、片上損耗僅1.3dB，標志著(zhù)高速集成光開(kāi)關(guān)的重大突破。

• Intel、IBM、Cisco等科技巨頭也早已布局硅光子領(lǐng)域，推動(dòng)硅基光收發(fā)模塊商業(yè)化。

• AyarLabs、Lightmatter等初創(chuàng )企業(yè)正在推進(jìn)基于硅光的光學(xué)計算與互連產(chǎn)品。

國內奮起直追

我國近年來(lái)在硅基光電子領(lǐng)域投入加大，高校與科研機構成果頻出：

• 浙江大學(xué)儲濤教授團隊在熱光與電光混合調控的大規模陣列光開(kāi)關(guān)方面取得重要進(jìn)展；

• 中科院半導體所、上海微系統所也在SOI平臺上實(shí)現了多種高性能光開(kāi)關(guān)原型；

• 華為、中興等通信設備商開(kāi)始嘗試將硅光技術(shù)引入下一代光傳輸設備。

盡管整體仍落后于歐美，但國內產(chǎn)業(yè)鏈正加速完善，國產(chǎn)替代進(jìn)程有望加快。

六、挑戰與難點(diǎn)：硅基光開(kāi)關(guān)還需跨越哪些門(mén)檻？

盡管前景廣闊，但硅基光開(kāi)關(guān)要真正取代MEMS成為主流，仍需克服一系列技術(shù)挑戰：

1.插入損耗控制

雖然實(shí)驗室條件下可達1.3dB，但在大規模陣列中，級聯(lián)帶來(lái)的累積損耗會(huì )顯著(zhù)增加。如何優(yōu)化波導耦合效率、減少彎曲損耗是關(guān)鍵。

2.串擾抑制

多通道并行工作時(shí)易產(chǎn)生串擾，尤其在高密度布線(xiàn)情況下。論文中提到可通過(guò)SOA（半導體光放大器）進(jìn)行補償與抑制，但這增加了系統復雜度。

3.熱管理問(wèn)題

熱光開(kāi)關(guān)依賴(lài)加熱改變折射率，頻繁操作會(huì )導致局部溫升，影響穩定性和壽命。需設計高效的散熱結構或轉向電光調制方案。

4.封裝與測試自動(dòng)化

大規模陣列涉及數百個(gè)電極引腳，傳統手動(dòng)測試效率低下。論文第5.3節專(zhuān)門(mén)探討了高密度電學(xué)封裝與自動(dòng)化控制程序的設計，這是走向量產(chǎn)的必經(jīng)之路。

七、全光網(wǎng)絡(luò )時(shí)代的到來(lái)

隨著(zhù)AI訓練集群、超算中心、邊緣計算節點(diǎn)的普及，對超低延遲、超高帶寬的光交換需求將持續攀升。MEMS光開(kāi)關(guān)雖短期內仍將占據一定市場(chǎng)，但其物理原理決定了它無(wú)法突破毫秒級響應的天花板。

而硅基光開(kāi)關(guān)憑借其CMOS兼容性、高速響應、高集成度三大核心優(yōu)勢，將成為構建全光高速通信網(wǎng)絡(luò )的理想選擇。特別是當其與相干通信、波分復用、光計算等前沿技術(shù)融合后，有望徹底重構數據中心的架構。

八、廣西科毅光通信的技術(shù)布局與思考

作為一家專(zhuān)注于光通信產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，【廣西科毅光通信科技有限公司】始終關(guān)注行業(yè)前沿動(dòng)態(tài)。我們深知，未來(lái)的競爭不僅是產(chǎn)品的競爭，更是核心技術(shù)與創(chuàng )新能力的競爭。

目前，我司已在以下幾個(gè)方向展開(kāi)布局：

• 深耕PLC型光開(kāi)關(guān)模塊，提供穩定可靠的32端口以下解決方案；

• 積極跟蹤硅基光開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)展，與高校開(kāi)展產(chǎn)學(xué)研合作；

• 探索基于SOI平臺的微型化、低功耗光開(kāi)關(guān)原型開(kāi)發(fā)；

• 建設自動(dòng)化測試平臺，提升批量交付能力。

我們堅信，無(wú)論技術(shù)路線(xiàn)如何演進(jìn)，以客戶(hù)需求為中心、以技術(shù)創(chuàng )新為驅動(dòng)的企業(yè)才能走得更遠。

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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