隨著(zhù)人工智能和云計算的快速發(fā)展，對高容量數據交換的需求持續增長(cháng)。光交換憑借其寬帶寬和低延遲，正成為應對這一挑戰的最有前景的解決方案之一。

相對早期電交換，光交換的優(yōu)勢在于，沒(méi)有緩沖，透明，與比特率無(wú)關(guān)的低功耗，低延時(shí)，可擴展到非常大的端口數。   

據Lumentum估算，在10萬(wàn)級GPU部署中，相較于InfiniBand或以太網(wǎng)方案，采用其OCS可使AI數據中心網(wǎng)絡(luò )整體功耗降低65%以上。市場(chǎng)研究機構Cignal AI預測，在A(yíng)I與云網(wǎng)絡(luò )發(fā)展推動(dòng)下，OCS市場(chǎng)規模將于2028年突破10億美元。   

現在光開(kāi)關(guān)除了應用于電信領(lǐng)域，還應用于數據中心，兩者發(fā)展路徑和對光開(kāi)關(guān)要求有所不同，例如：

1、電信：網(wǎng)絡(luò )交換節點(diǎn)~30個(gè)，流量相對穩定，中心控制層，10ms延時(shí)

2、數據中心：網(wǎng)絡(luò )交換節點(diǎn)~5000個(gè)，突發(fā)模式，結合SDN的分布控制層，小于10us延時(shí)

在這幾年的人工智能驅動(dòng)的計算機和數據中心（超大規模數據中心）掀起新一輪人們研究光交換的浪潮。首先，人工智能光子學(xué)可以應對指數級（每年10倍）的產(chǎn)能增長(cháng)，其低功效、光學(xué)可重構、光保護/修復特性，保持人工智能訓練和推理的高可用性，能夠提高人工訓練的利用率、功率效率、吞吐量和虛擬機優(yōu)化，實(shí)現流量工程和負載均衡，預測重構并進(jìn)行Hitless重新配置，此外，對可預測的故障進(jìn)行保護以及局部故障恢復。   

將光開(kāi)關(guān)技術(shù)應用于人工智能領(lǐng)域的原因有：

1）通過(guò)扁平化互聯(lián)架構來(lái)克服數據中心電開(kāi)關(guān)的可擴展性問(wèn)題：光互連通過(guò)利用光并行和WDM大規模擴展，平滑互連拓撲，減小直徑，降低時(shí)延，降低功耗，根據工作負載重新配置無(wú)源互連。

2）光重構優(yōu)化互連拓撲到應用模式和提高可用性，避免擁塞和故障。

3）通過(guò)光恢復實(shí)現可靠的網(wǎng)絡(luò )運行：使用LW Fabric（實(shí)線(xiàn)）的可重構系統替換壞，與靜態(tài)系統（虛線(xiàn)）相比，有效吞吐量更高。

4）電開(kāi)關(guān)延遲大

由光開(kāi)關(guān)單元組成的集成光開(kāi)關(guān)結構拓撲示例如下所示，需要指出的是，快速CDR突發(fā)模式對于光分組交換、光突發(fā)交換或動(dòng)態(tài)光電路交換是必不可少的，目前，學(xué)術(shù)界用的最多的是benes架構，因其具有最少光開(kāi)關(guān)數、路徑、損耗及控制維度，尤其是具有RNB（可重構非阻塞）。

目前限制光開(kāi)關(guān)大規模應用的因素有：

1）光交換機不提供安全特性，前向糾錯以及序列化

2）光插損必須<< 3db，這必須商用收發(fā)器（有源光纜和CPO）需要達到3dB的功率余量標準

3）沒(méi)有可行的光學(xué)緩沖方法：例如突發(fā)模式檢測或在中斷前與AI/ML進(jìn)行Hitless重新配置

4）中央控制平面只有在可以擴展到1000個(gè)節點(diǎn)時(shí)才有效。分布式控制平面或混合方法可以更好地擴展。

總結目前實(shí)現的各類(lèi)光開(kāi)關(guān)性能比較，商用光開(kāi)關(guān)都是基于MEMS，學(xué)術(shù)界研究最多是基于硅光方案，但缺點(diǎn)是串擾大、插損大、端口數（不過(guò)這幾年也逐漸越來(lái)越多）。

下面來(lái)簡(jiǎn)單看看幾種光開(kāi)關(guān)技術(shù)：

1、基于MEMS技術(shù)：

Lucent基于MEMS技術(shù)發(fā)布的Edge640，其主要特點(diǎn)是640全雙工接口，由2個(gè)320x320光開(kāi)關(guān)核組成，偏振不敏感，50ms切換時(shí)間，<3 db損耗，-60db串擾

谷歌也是基于MEMS技術(shù)。

采用MEMS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可擴展，端口數多，彈性架構，分布式控制。

例如，通過(guò)陣列與16端口切片創(chuàng )建完全連接的576x576 OCS，在所有路徑上測量具有1.3dB中值損耗，最大3.2dB。但準直光學(xué)元件增加工作距離使得光學(xué)矩陣尺寸更大。

在這次OFC上，Lumentum基于成熟MEMS技術(shù)發(fā)布其R300 OCS 300x300端口光路開(kāi)關(guān)（OCS）樣品，并已向多家超大規模（Hyperscale）客戶(hù)提供，并計劃于2025年下半年正式上市。這款突破性產(chǎn)品及方案旨在提升人工智能集群、數據中心內部網(wǎng)絡(luò )的可擴展性、性能與能效。其特點(diǎn)是，顯著(zhù)節能、超低時(shí)延（消除光電光轉換，時(shí)延較以太網(wǎng)交換降低5-10倍）、超寬波段（支持O/C/L波段）、卓越低插入/回波損耗、極低偏振相關(guān)損耗（PDL）與偏振模色散（PMD）、超強穩定性和高可靠性。

2、液晶光開(kāi)關(guān)：

代表性的商用產(chǎn)品是WSS，其最大特點(diǎn)是增加波長(cháng)維度，通過(guò)波束控制實(shí)現多路光纖分配，每個(gè)輸入的波長(cháng)在可用的基礎上被解復用到單個(gè)輸出端口。目前典型插損是5dB，切換速度<100ms，ER>30dB，偏振不敏感，缺點(diǎn)是成本高。

3、硅光技術(shù)——MEMS

    在硅光平臺上制作MEMS結構實(shí)現波導直通和交插，主要特點(diǎn)是MEMS驅動(dòng)開(kāi)關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)下幾乎為零損耗，可擴展到高端口數，且沒(méi)有級聯(lián)損耗，具有高消光比（> 60db）以及寬帶（> 120nm）。

最具代表性的是UC Berkeley的 240x240 SiPhotonic OCS，具有高集成度，片上集成170,000個(gè)單元，每個(gè)端口的片上波導損耗僅0.04 dB，高消光比> 60dB，切換時(shí)間僅400 ns。

4、硅光技術(shù)——MZIs   

這個(gè)是學(xué)術(shù)界研究最多的結構，主要特點(diǎn)是高集成度，結構簡(jiǎn)單。隨著(zhù)一代代發(fā)展，目前典型損耗>3dB，串擾<-25dB，切換時(shí)間可達到ns級，功耗僅x00mW，尺寸僅xxmm^2。具體進(jìn)展下篇介紹。

5、集成光學(xué)——InP SOA

    最具代表性的是 Eindhoven's AP 16x16 InGaAsP/InP Photonic Switch Chip，結合空間交換和波長(cháng)路由選擇，可改善光端口連通性，其最主要好處是，通過(guò)片上集成SOA可以補充光插損。

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