隨著全球數(shù)字化進(jìn)程的不斷加快，云計(jì)算、人工智能、5G通信等新興技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸能力提出了前所未有的高要求。在這一背景下，數(shù)據(jù)中心作為信息社會(huì)的核心基礎(chǔ)設(shè)施，其內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換效率直接決定了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。然而，傳統(tǒng)的電交換技術(shù)正面臨功耗高、延遲大、帶寬受限等瓶頸問(wèn)題，已難以滿足當(dāng)前及未來(lái)高速發(fā)展的通信需求。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，近年來(lái)數(shù)據(jù)中心的通信流量以每年約25%的速度持續(xù)增長(zhǎng)，而現(xiàn)有電交換機(jī)的容量提升速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)際需求。更為嚴(yán)峻的是，先進(jìn)CMOS芯片的功耗已接近集成電路冷卻技術(shù)的極限（約300W），導(dǎo)致電氣開(kāi)關(guān)的發(fā)展陷入停滯。在此形勢(shì)下，光交換技術(shù)因其具備高帶寬、低延遲、低功耗等顯著優(yōu)勢(shì)，被視為下一代數(shù)據(jù)中心交換架構(gòu)的理想解決方案。

其中，基于硅基集成光電子平臺(tái)的硅基光開(kāi)關(guān)（SiliconOpticalSwitch）憑借其體積小、成本低、易于與CMOS工藝兼容等特點(diǎn)，成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的技術(shù)焦點(diǎn)。

一、傳統(tǒng)電交換的瓶頸與光交換的崛起

在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中，服務(wù)器之間的連接主要依賴于電交換機(jī)完成數(shù)據(jù)路由。

但隨著數(shù)據(jù)量激增，電互連方式暴露出諸多短板：

• 功耗過(guò)高：高速電信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中損耗嚴(yán)重，需頻繁中繼放大，導(dǎo)致整體能耗居高不下；

• 速率受限：受制于趨膚效應(yīng)和串?dāng)_影響，電通道帶寬難以突破單通道64Gbps以上；

• 散熱壓力大：高端交換芯片功耗逼近300W，傳統(tǒng)風(fēng)冷/液冷方案難以為繼；

• 擴(kuò)展性差：端口密度受限于PCB布線空間，難以實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模并行交換。

相比之下，光交換技術(shù)通過(guò)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行傳輸與路由，從根本上規(guī)避了上述問(wèn)題。光子不帶電荷、無(wú)電磁干擾、可多波長(zhǎng)復(fù)用（WDM），使得單根光纖即可承載Tbps級(jí)帶寬，且傳輸過(guò)程幾乎無(wú)熱積累。

更重要的是，利用絕緣體上硅（SOI,Silicon-on-Insulator）平臺(tái)開(kāi)發(fā)的硅基光開(kāi)關(guān)芯片，可在微米尺度上集成大量光學(xué)元件，如波導(dǎo)、分束器、調(diào)制器和探測(cè)器，形成高度緊湊的光電集成回路（PhotonicIntegratedCircuit,PIC）。這種“光子芯片”不僅大幅縮小設(shè)備體積，還顯著降低了單位比特傳輸?shù)哪芎摹?/span>

因此，發(fā)展高性能、可重構(gòu)、大規(guī)模的陣列光開(kāi)關(guān)（OpticalSwitchArray）已成為構(gòu)建綠色節(jié)能、高效智能數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵路徑之一。

二、硅基光開(kāi)關(guān)的工作原理與核心結(jié)構(gòu)

2.1光開(kāi)關(guān)的基本分類

目前主流的光開(kāi)關(guān)技術(shù)主要包括以下幾類：

從發(fā)展趨勢(shì)看，硅基光開(kāi)關(guān)因響應(yīng)速度快、集成度高、適合批量制造，正逐步取代PLC和MEMS方案，成為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)的首選技術(shù)路線。

2.2 硅基2×2基本開(kāi)關(guān)單元設(shè)計(jì)

所有大規(guī)模陣列光開(kāi)關(guān)都由最基本的2×2開(kāi)關(guān)單元構(gòu)成。最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)是馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI,Mach-ZehnderInterferometer），其工作原理如下：

當(dāng)輸入光進(jìn)入MZI后，首先被一個(gè)分束器（Splitter）均分為兩路，分別沿上下兩個(gè)臂傳播。其中一個(gè)臂上設(shè)有相移器（PhaseShifter），通過(guò)外部激勵(lì)（熱或電）改變?cè)摫鄣墓獬滩?，從而調(diào)控兩路光信號(hào)的干涉狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)“直通”或“交叉”兩種輸出模式。

InGaAs/InP材料2x2開(kāi)關(guān)單元結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各類集成光開(kāi)關(guān)中，包括本研究重點(diǎn)涉及的熱光型和電光型兩種MZI開(kāi)關(guān)。

三、熱光與電光開(kāi)關(guān)單元的技術(shù)對(duì)比分析

3.1 熱光開(kāi)關(guān)單元：低損耗、穩(wěn)定性強(qiáng)

熱光開(kāi)關(guān)利用電流通過(guò)金屬加熱器產(chǎn)生熱量，使硅波導(dǎo)局部溫度升高，從而改變其折射率，實(shí)現(xiàn)相位調(diào)節(jié)。

該方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

• 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜摻雜工藝；

• 功耗較低，靜態(tài)維持無(wú)需持續(xù)供電；

• 相位控制精度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好；

• 易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列集成。

在曹偉杰的研究中，設(shè)計(jì)了一種用于O波段（1310nm）的硅基2×2熱光開(kāi)關(guān)單元，實(shí)測(cè)結(jié)果如下：

• 插入損耗：約0.25dB

• 串?dāng)_水平：1310nm處達(dá)–28dB

• 工作帶寬：在整個(gè)40nm范圍內(nèi)串?dāng)_優(yōu)于–20dB

盡管相比國(guó)際最先進(jìn)水平（插入損耗~0.13dB）略有犧牲，但在犧牲少量損耗的前提下，獲得了更寬的工作帶寬，更適合多波長(zhǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。

此外，熱光開(kāi)關(guān)切換時(shí)間通常在幾十微秒級(jí)別，雖不及電光型快速，但對(duì)于大多數(shù)非實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度仍足夠使用。

3.2 電光開(kāi)關(guān)單元：納秒級(jí)響應(yīng)，面向高速交換

為了應(yīng)對(duì)更高頻率的動(dòng)態(tài)資源分配需求（如AI訓(xùn)練集群中的突發(fā)流量調(diào)度），需要具備ns級(jí)切換速度的電光開(kāi)關(guān)。這類器件通?；凇拜d流子色散效應(yīng)”（PlasmaDispersionEffect），通過(guò)向PN或PIN結(jié)注入載流子來(lái)改變波導(dǎo)的有效折射率。

曹偉杰團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的電光開(kāi)關(guān)單元采用正偏PIN結(jié)構(gòu)，測(cè)試結(jié)果顯示：

• 單元插入損耗：約1.1dB

• 串?dāng)_水平：1318nm處達(dá)–29dB

• –25dB串?dāng)_帶寬：超過(guò)30nm

• 切換速度：可達(dá)ns級(jí)

值得注意的是，該性能是在未使用可調(diào)衰減器（VOA）或級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)的，已接近當(dāng)前世界領(lǐng)先水平（插入損耗~0.8dB，串?dāng)_~–28dB，但帶寬僅約10nm）。這表明國(guó)產(chǎn)硅基電光開(kāi)關(guān)在保持較寬帶寬的同時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)良好的消光比與低串?dāng)_特性。

A240×240 MEMS Crossbar網(wǎng)絡(luò)硅基大規(guī)模陣列光開(kāi)關(guān)

四、128端口Benes網(wǎng)絡(luò)熱光開(kāi)關(guān)陣列的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 大規(guī)模陣列拓?fù)溥x擇：為何選用Benes網(wǎng)絡(luò)？

在構(gòu)建多端口光開(kāi)關(guān)時(shí)，如何在保證“無(wú)阻塞性”（Non-blocking）的同時(shí)最小化器件數(shù)量和插入損耗，是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有Clos、Spanke-Benes、Dilated-Benes等。

本研究采用128×128Benes網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)在于：

• 可重構(gòu)性強(qiáng)，任意輸入均可連接至任意輸出；

• 所需MZI單元數(shù)較少，約為量級(jí)（即約896個(gè)）；

• 支持分階段配置，便于分布式控制；

• 易于模塊化擴(kuò)展。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終芯片面積僅為16.2×16mm2，共包含1690個(gè)電學(xué)引腳，是當(dāng)時(shí)除MEMS外全球最大規(guī)模的可重構(gòu)無(wú)阻塞硅基光開(kāi)關(guān)陣列。

4.2 高密度電學(xué)封裝難題的解決之道

如此高密度的電極引出，給傳統(tǒng)PCB封裝帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。若采用金絲鍵合，極易出現(xiàn)短路、斷線等問(wèn)題；若采用倒裝焊，則對(duì)對(duì)準(zhǔn)精度要求極高。

為此，研究人員創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并制作了硅轉(zhuǎn)接板（SiliconInterposer），成功解決了高密度電學(xué)引腳的扇出（Fan-out）問(wèn)題。該轉(zhuǎn)接板采用深硅刻蝕與再布線工藝，將芯片上的密集焊盤(pán)重新分布到外圍標(biāo)準(zhǔn)間距接口，極大提升了封裝良率與可靠性。

同時(shí)，配套開(kāi)發(fā)了專用的PCB驅(qū)動(dòng)電路板與上位機(jī)控制程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)96通道模塊的獨(dú)立測(cè)試與調(diào)控。更重要的是，該控制系統(tǒng)支持多模塊拼接，理論上可擴(kuò)展至數(shù)千通道，為未來(lái)更大規(guī)模光開(kāi)關(guān)提供了可行的技術(shù)路徑。

32x32Benes網(wǎng)絡(luò)芯片封裝實(shí)物 

五、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)比與產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

下表總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在硅基光開(kāi)關(guān)領(lǐng)域的重要研究成果：

*注：IBM數(shù)據(jù)為光纖至光纖損耗

從中可以看出，我國(guó)在硅基光開(kāi)關(guān)領(lǐng)域已取得重要突破，尤其在電光開(kāi)關(guān)響應(yīng)速度方面處于國(guó)際前列。而在端口規(guī)模上，本次實(shí)現(xiàn)的128端口Benes陣列，標(biāo)志著我國(guó)在大規(guī)?？芍貥?gòu)光開(kāi)關(guān)方向邁出了關(guān)鍵一步。

六、結(jié)語(yǔ)：邁向全光智能數(shù)據(jù)中心的新時(shí)代

隨著數(shù)據(jù)洪流的到來(lái)，傳統(tǒng)電交換體系已走到升級(jí)變革的臨界點(diǎn)。以硅基大規(guī)模陣列光開(kāi)關(guān)為代表的新型光交換技術(shù)，正在以其卓越的性能潛力，重塑未來(lái)數(shù)據(jù)中心的底層架構(gòu)。

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（注：本文部分內(nèi)容由AI協(xié)助習(xí)作，僅供參考）

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