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2025-06-26
一、引言：光开关助力下一代数据中心发展
近年来，随着 AI、大数据、云服务等新兴技术的爆发式增长，全球数据中心面临前所未有的数据流量压力。传统的电子交换设备在容量、延迟、能耗等方面逐渐暴露出瓶颈，而光开关技术则以其高速率、低功耗、可扩展性强等特点，成为构建高效数据中心网络的重要支撑。
广西科毅光通信科技有限公司长期致力于光通信领域的研发与生产，专注于为客户提供稳定、高效的光器件产品和服务。我们的官网 www.coreray.cn 提供了丰富的光通信产品信息和技术支持，欢迎访问了解更多信息。
二、光开关的关键性能指标
在评估数据中心用光开关时，需关注以下十大关键性能指标：
1. 容量：支持高带宽交换，尤其适用于机架间和集群间的通信。
2. 延迟：微秒或更低的延迟对实时性要求高的应用至关重要。
3. 互连性：支持服务器之间大量并发流的传输。
4. 可扩展性：网络应能经济高效地扩展至大规模节点。
5. 重新配置速度：纳秒至微秒级切换，实现灵活带宽分配。
6. 功率效率：目标能耗控制在 1 pJ/bit 或更低。
7. 成本：每个端口成本目标约为 10 美元，以保持竞争力。
8. 插入损耗：级联使用时需低于 10 dB。
9. 串扰：大型开关矩阵要求典型值低于 -35 dB。
10. 端口数量：至少支持 16-32 个端口。
图1 展示了上述部分指标与光开关性能之间的关系。
图1
三、主流光开关架构对比分析
目前常见的光开关架构主要包括以下几种类型：
架构名称 | 特点 | 优缺点 |
榕树型 | 交换元件最少 | 存在阻塞问题 |
Beneš | 可重排无阻塞 | 元件数量少 |
交叉开关 | 严格无阻塞 | N 个端口需 N² 个元件 |
N 级平面 | 避免波导交叉 | 利于集成 |
路径无关损耗（PILOSS） | 所有路径损耗一致 | 设计复杂度高 |
扩张网络 | 消除一阶串扰 | 元件数量增加 |
图2 展示了几种常见光开关拓扑结构的示意图。
图2
不同的架构选择将直接影响开关的阻塞行为、串扰水平、元件数量及系统复杂度，因此需根据实际应用场景进行权衡设计。
下表总结了不同架构的这些特性：
四、光开关的核心集成技术平台
当前，光开关主要基于以下三大类集成平台实现：
1. 硅基光电子技术
优势：
基于成熟 CMOS 工艺，适合大规模量产
成本低廉、器件紧凑
局限：
插入损耗和串扰较高
主要采用热光（TO）或电光（EO）开关机制
代表产品：
32×32 TO 开关：平均插入损耗 10.8 dB，带宽 3.5 nm，串扰 -20 dB
64×64 热光贝内什开关：插入损耗 12–18 dB，串扰 -30 至 -44 dB
2. InP 光电子技术
优势：
可集成激光器、SOA 等有源元件
低损耗、高消光比、快速响应（纳秒级）
局限：
成本高于硅基平台
代表产品：
16×16 SOA 全有源开关
8×8×8λ 空间/波长联合开关：片上损耗 13.3 dB，重配置时间 5 ns
3. 硅基 III-V 混合器件
优势：
结合 InP 的有源性能与硅的无源优势
支持倒装芯片键合、单片生长等多种集成方式
代表产品：
8×8 混合光开关（倒装芯片键合 SOA）
图3 展示了不同平台之间的性能与成本对比。
五、典型光开关结构与性能表现
1. 硅基光电子开关结构
热光（TO）多路复用器开关
使用加热器诱导相移，功耗较低但响应较慢（~μs）
应用于 PILOSS 架构下的 32×32 开关
电光（EO）多路复用器开关
响应速度快（~ns），功耗略高
实现 32×32 EO Beneš 开关，开关时间 1–1.2 ns
2. InP 光开关结构
支持半导体光放大器（SOA）的单片集成
实现无损操作和快速切换
示例：16×16 全有源 SOA 开关
3. 异构光电子集成开关结构
将 InP 有源器件与硅无源器件混合集成
技术路线包括：
InP SOA 倒装芯片键合
硅上 III-V 单片生长
III-V 器件转移印刷到硅上
图4 展示了一个典型的 8×8×8λ InP 开关结构。
图5 展示了一个混合波长选择开关（WSS）的应用实例。
六、光开关在数据中心的应用场景
1. 分布式深度学习训练
使用光电路开关（OCS）动态重组服务器连接
在 16 节点测试平台上，相比静态拓扑，网络性能提升 3.6 倍
2. HPC 带宽控制
Flexfly 架构利用硅光开关实现蜻蜓群组间的动态链接
支持按需调整带宽，适应不同应用流量模式
3. 分散式数据中心架构
DACON 架构使用纳秒级光开关实现资源灵活配置
实验数据显示，应用运行速度提高 1.74 倍，功耗降低 34%
图6 和图7 分别展示了分布式深度学习测试平台与 DACON 架构的拓扑结构。
七、结语：广西科毅光通信科技有限公司助力行业发展
作为一家专业的光通信解决方案提供商，广西科毅光通信科技有限公司始终致力于推动光开关及相关产品的技术创新与市场应用。我们提供多种类型的光开关产品，广泛应用于数据中心、高性能计算、AI 训练等领域，满足客户对高速、低功耗、高可靠性的多样化需求。
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