科毅光通信 - 光开关器件与设备生产销售厂商

随着全球数字化进程的不断加快，云计算、人工智能、5G通信等新兴技术对数据传输能力提出了前所未有的高要求。在这一背景下，数据中心作为信息社会的核心基础设施，其内部的数据交换效率直接决定了整个网络系统的性能表现。然而，传统的电交换技术正面临功耗高、延迟大、带宽受限等瓶颈问题，已难以满足当前及未来高速发展的通信需求。

根据相关数据显示，近年来数据中心的通信流量以每年约25%的速度持续增长，而现有电交换机的容量提升速度却远远落后于实际需求。更为严峻的是，先进CMOS芯片的功耗已接近集成电路冷却技术的极限（约300W），导致电气开关的发展陷入停滞。在此形势下，光交换技术因其具备高带宽、低延迟、低功耗等显著优势，被视为下一代数据中心交换架构的理想解决方案。

其中，基于硅基集成光电子平台的硅基光开关（SiliconOpticalSwitch）凭借其体积小、成本低、易于与CMOS工艺兼容等特点，成为当前学术界和产业界共同关注的技术焦点。

一、传统电交换的瓶颈与光交换的崛起

在传统数据中心中，服务器之间的连接主要依赖于电交换机完成数据路由。

但随着数据量激增，电互连方式暴露出诸多短板：

• 功耗过高：高速电信号在长距离传输过程中损耗严重，需频繁中继放大，导致整体能耗居高不下；

• 速率受限：受制于趋肤效应和串扰影响，电通道带宽难以突破单通道64Gbps以上；

• 散热压力大：高端交换芯片功耗逼近300W，传统风冷/液冷方案难以为继；

• 扩展性差：端口密度受限于PCB布线空间，难以实现超大规模并行交换。

相比之下，光交换技术通过将电信号转换为光信号进行传输与路由，从根本上规避了上述问题。光子不带电荷、无电磁干扰、可多波长复用（WDM），使得单根光纤即可承载Tbps级带宽，且传输过程几乎无热积累。

更重要的是，利用绝缘体上硅（SOI,Silicon-on-Insulator）平台开发的硅基光开关芯片，可在微米尺度上集成大量光学元件，如波导、分束器、调制器和探测器，形成高度紧凑的光电集成回路（PhotonicIntegratedCircuit,PIC）。这种“光子芯片”不仅大幅缩小设备体积，还显著降低了单位比特传输的能耗。

因此，发展高性能、可重构、大规模的阵列光开关（OpticalSwitchArray）已成为构建绿色节能、高效智能数据中心的关键路径之一。

二、硅基光开关的工作原理与核心结构

2.1光开关的基本分类

目前主流的光开关技术主要包括以下几类：

从发展趋势看，硅基光开关因响应速度快、集成度高、适合批量制造，正逐步取代PLC和MEMS方案，成为数据中心内部互联的首选技术路线。

2.2 硅基2×2基本开关单元设计

所有大规模阵列光开关都由最基本的2×2开关单元构成。最常见的结构是马赫-曾德尔干涉仪（MZI,Mach-ZehnderInterferometer），其工作原理如下：

当输入光进入MZI后，首先被一个分束器（Splitter）均分为两路，分别沿上下两个臂传播。其中一个臂上设有相移器（PhaseShifter），通过外部激励（热或电）改变该臂的光程差，从而调控两路光信号的干涉状态，最终实现“直通”或“交叉”两种输出模式。

InGaAs/InP材料2x2开关单元结构

该结构广泛应用于各类集成光开关中，包括本研究重点涉及的热光型和电光型两种MZI开关。

三、热光与电光开关单元的技术对比分析

3.1 热光开关单元：低损耗、稳定性强

热光开关利用电流通过金属加热器产生热量，使硅波导局部温度升高，从而改变其折射率，实现相位调节。

该方式具有以下优点：

• 结构简单，无需复杂掺杂工艺；

• 功耗较低，静态维持无需持续供电；

• 相位控制精度高，长期稳定性好；

• 易于实现大规模阵列集成。

在曹伟杰的研究中，设计了一种用于O波段（1310nm）的硅基2×2热光开关单元，实测结果如下：

• 插入损耗：约0.25dB

• 串扰水平：1310nm处达–28dB

• 工作带宽：在整个40nm范围内串扰优于–20dB

尽管相比国际最先进水平（插入损耗~0.13dB）略有牺牲，但在牺牲少量损耗的前提下，获得了更宽的工作带宽，更适合多波长应用场景。

此外，热光开关切换时间通常在几十微秒级别，虽不及电光型快速，但对于大多数非实时任务调度仍足够使用。

3.2 电光开关单元：纳秒级响应，面向高速交换

为了应对更高频率的动态资源分配需求（如AI训练集群中的突发流量调度），需要具备ns级切换速度的电光开关。这类器件通常基于“载流子色散效应”（PlasmaDispersionEffect），通过向PN或PIN结注入载流子来改变波导的有效折射率。

曹伟杰团队所设计的电光开关单元采用正偏PIN结构，测试结果显示：

• 单元插入损耗：约1.1dB

• 串扰水平：1318nm处达–29dB

• –25dB串扰带宽：超过30nm

• 切换速度：可达ns级

值得注意的是，该性能是在未使用可调衰减器（VOA）或级联结构的情况下实现的，已接近当前世界领先水平（插入损耗~0.8dB，串扰~–28dB，但带宽仅约10nm）。这表明国产硅基电光开关在保持较宽带宽的同时，也能实现良好的消光比与低串扰特性。

A240×240 MEMS Crossbar网络硅基大规模阵列光开关

四、128端口Benes网络热光开关阵列的设计与实现

4.1 大规模阵列拓扑选择：为何选用Benes网络？

在构建多端口光开关时，如何在保证“无阻塞性”（Non-blocking）的同时最小化器件数量和插入损耗，是一个关键挑战。常见的拓扑结构有Clos、Spanke-Benes、Dilated-Benes等。

本研究采用128×128Benes网络结构，其优势在于：

• 可重构性强，任意输入均可连接至任意输出；

• 所需MZI单元数较少，约为量级（即约896个）；

• 支持分阶段配置，便于分布式控制；

• 易于模块化扩展。

经过优化设计，最终芯片面积仅为16.2×16mm²，共包含1690个电学引脚，是当时除MEMS外全球最大规模的可重构无阻塞硅基光开关阵列。

4.2 高密度电学封装难题的解决之道

如此高密度的电极引出，给传统PCB封装带来极大挑战。若采用金丝键合，极易出现短路、断线等问题；若采用倒装焊，则对对准精度要求极高。

为此，研究人员创新性地设计并制作了硅转接板（SiliconInterposer），成功解决了高密度电学引脚的扇出（Fan-out）问题。该转接板采用深硅刻蚀与再布线工艺，将芯片上的密集焊盘重新分布到外围标准间距接口，极大提升了封装良率与可靠性。

同时，配套开发了专用的PCB驱动电路板与上位机控制程序，实现了对单个96通道模块的独立测试与调控。更重要的是，该控制系统支持多模块拼接，理论上可扩展至数千通道，为未来更大规模光开关提供了可行的技术路径。

32x32Benes网络芯片封装实物 

五、国内外研究现状对比与产业发展趋势

下表总结了近年来国内外在硅基光开关领域的重要研究成果：

*注：IBM数据为光纤至光纤损耗

从中可以看出，我国在硅基光开关领域已取得重要突破，尤其在电光开关响应速度方面处于国际前列。而在端口规模上，本次实现的128端口Benes阵列，标志着我国在大规模可重构光开关方向迈出了关键一步。

六、结语：迈向全光智能数据中心的新时代

随着数据洪流的到来，传统电交换体系已走到升级变革的临界点。以硅基大规模阵列光开关为代表的新型光交换技术，正在以其卓越的性能潜力，重塑未来数据中心的底层架构。

广西科毅光通信科技有限公司将持续关注并吸收前沿科研成果，致力于将实验室中的先进技术转化为可量产、高可靠性的商用产品。我们相信，只有坚持技术创新与产业落地相结合，才能真正助力中国在新一代光通信赛道上实现弯道超车。

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（注：本文部分内容由AI协助习作，仅供参考）

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