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2025-06-25
随着人工智能和云计算的快速发展，对高容量数据交换的需求持续增长。光交换凭借其宽带宽和低延迟，正成为应对这一挑战的最有前景的解决方案之一。
相对早期电交换，光交换的优势在于，没有缓冲，透明，与比特率无关的低功耗，低延时，可扩展到非常大的端口数。
据Lumentum估算，在10万级GPU部署中，相较于InfiniBand或以太网方案，采用其OCS可使AI数据中心网络整体功耗降低65%以上。市场研究机构Cignal AI预测，在AI与云网络发展推动下，OCS市场规模将于2028年突破10亿美元。
现在光开关除了应用于电信领域，还应用于数据中心，两者发展路径和对光开关要求有所不同，例如：
1、电信：网络交换节点~30个，流量相对稳定，中心控制层，10ms延时
2、数据中心：网络交换节点~5000个，突发模式，结合SDN的分布控制层，小于10us延时
在这几年的人工智能驱动的计算机和数据中心（超大规模数据中心）掀起新一轮人们研究光交换的浪潮。首先，人工智能光子学可以应对指数级（每年10倍）的产能增长，其低功效、光学可重构、光保护/修复特性，保持人工智能训练和推理的高可用性，能够提高人工训练的利用率、功率效率、吞吐量和虚拟机优化，实现流量工程和负载均衡，预测重构并进行Hitless重新配置，此外，对可预测的故障进行保护以及局部故障恢复。
将光开关技术应用于人工智能领域的原因有：
1）通过扁平化互联架构来克服数据中心电开关的可扩展性问题：光互连通过利用光并行和WDM大规模扩展，平滑互连拓扑，减小直径，降低时延，降低功耗，根据工作负载重新配置无源互连。
2）光重构优化互连拓扑到应用模式和提高可用性，避免拥塞和故障。
3）通过光恢复实现可靠的网络运行：使用LW Fabric（实线）的可重构系统替换坏，与静态系统（虚线）相比，有效吞吐量更高。
4）电开关延迟大
由光开关单元组成的集成光开关结构拓扑示例如下所示，需要指出的是，快速CDR突发模式对于光分组交换、光突发交换或动态光电路交换是必不可少的，目前，学术界用的最多的是benes架构，因其具有最少光开关数、路径、损耗及控制维度，尤其是具有RNB（可重构非阻塞）。
目前限制光开关大规模应用的因素有：
1）光交换机不提供安全特性，前向纠错以及序列化
2）光插损必须<< 3db，这必须商用收发器（有源光缆和CPO）需要达到3dB的功率余量标准
3）没有可行的光学缓冲方法：例如突发模式检测或在中断前与AI/ML进行Hitless重新配置
4）中央控制平面只有在可以扩展到1000个节点时才有效。分布式控制平面或混合方法可以更好地扩展。
总结目前实现的各类光开关性能比较，商用光开关都是基于MEMS，学术界研究最多是基于硅光方案，但缺点是串扰大、插损大、端口数（不过这几年也逐渐越来越多）。
下面来简单看看几种光开关技术：
1、基于MEMS技术：
Lucent基于MEMS技术发布的Edge640，其主要特点是640全双工接口，由2个320x320光开关核组成，偏振不敏感，50ms切换时间，<3 db损耗，-60db串扰
谷歌也是基于MEMS技术。
采用MEMS技术的优点在于可扩展，端口数多，弹性架构，分布式控制。
例如，通过阵列与16端口切片创建完全连接的576x576 OCS，在所有路径上测量具有1.3dB中值损耗，最大3.2dB。但准直光学元件增加工作距离使得光学矩阵尺寸更大。
在这次OFC上，Lumentum基于成熟MEMS技术发布其R300 OCS 300x300端口光路开关（OCS）样品，并已向多家超大规模（Hyperscale）客户提供，并计划于2025年下半年正式上市。这款突破性产品及方案旨在提升人工智能集群、数据中心内部网络的可扩展性、性能与能效。其特点是，显著节能、超低时延（消除光电光转换，时延较以太网交换降低5-10倍）、超宽波段（支持O/C/L波段）、卓越低插入/回波损耗、极低偏振相关损耗（PDL）与偏振模色散（PMD）、超强稳定性和高可靠性。
2、液晶光开关：
代表性的商用产品是WSS，其最大特点是增加波长维度，通过波束控制实现多路光纤分配，每个输入的波长在可用的基础上被解复用到单个输出端口。目前典型插损是5dB，切换速度<100ms，ER>30dB，偏振不敏感，缺点是成本高。
3、硅光技术——MEMS
在硅光平台上制作MEMS结构实现波导直通和交插，主要特点是MEMS驱动开关在关闭状态下几乎为零损耗，可扩展到高端口数，且没有级联损耗，具有高消光比（> 60db）以及宽带（> 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个单元，每个端口的片上波导损耗仅0.04 dB，高消光比> 60dB，切换时间仅400 ns。
4、硅光技术——MZIs
这个是学术界研究最多的结构，主要特点是高集成度，结构简单。随着一代代发展，目前典型损耗>3dB，串扰<-25dB，切换时间可达到ns级，功耗仅x00mW，尺寸仅xxmm^2。具体进展下篇介绍。
5、集成光学——InP SOA
最具代表性的是 Eindhoven's AP 16x16 InGaAsP/InP Photonic Switch Chip，结合空间交换和波长路由选择，可改善光端口连通性，其最主要好处是，通过片上集成SOA可以补充光插损。
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