在當今信息爆炸的時代，數據中心、5G通信、云計算和人工智能等技術的迅猛發(fā)展，對數據傳輸的速度與效率提出了前所未有的高要求。作為支撐這些關鍵技術的核心器件之一，光開關正逐漸從實驗室走向產業(yè)應用，成為現(xiàn)代高速光網絡中不可或缺的關鍵組件。

一、什么是光開關？

簡單來說，光開關是一種能夠控制光信號路徑切換的光學器件。它可以在不同的輸入端口和輸出端口之間建立或斷開光路連接，實現(xiàn)光信號的路由選擇、保護倒換、波長管理等功能。

你可以把它類比為傳統(tǒng)電路中的“電閘”——只不過這個“閘”控制的是光信號而不是電流。當需要改變數據流向時，光開關會以極快的速度完成通道切換，確保信息高效、低延遲地傳輸。

隨著數據中心流量年均增長超過25%，傳統(tǒng)電交換機已接近功耗極限（約300W），難以滿足未來超大帶寬、超低時延的需求。而光交換技術憑借高容量、低功耗、低延遲的優(yōu)勢，被認為是下一代數據中心網絡演進的重要方向。

正如浙江大學該篇碩士論文摘要中指出：“光交換技術具有高容量、低延時、低功耗等優(yōu)點，符合當下數據中心對新一代交換技術的需求。”

因此，研究并制造高性能、可擴展性強的大規(guī)模陣列光開關，已成為國內外科研機構和企業(yè)競相布局的重點領域。

二、光開關的基本工作原理

要理解光開關的工作機制，首先要了解它是如何通過物理效應來調控光信號的。

根據調制方式的不同，主流光開關主要依賴以下兩種物理效應：

1.熱光效應（Thermo-OpticEffect）

熱光效應是指材料的折射率隨溫度變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。在硅基光子學中，常用二氧化硅包覆的硅波導結構，通過在波導上方集成微加熱器，局部加熱使波導區(qū)域的折射率發(fā)生改變，從而實現(xiàn)相位調制。

典型應用是熱光型馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）結構。在一個MZI中，輸入光被分成兩束，在兩個臂上傳播后重新合并。當其中一個臂被加熱產生π相移時，兩束光發(fā)生相消干涉，輸出端口切換，實現(xiàn)“開”與“關”的狀態(tài)轉換。

這種開關的優(yōu)點是結構穩(wěn)定、易于集成，但缺點是響應速度較慢（通常在微秒級），功耗相對較高。

InGaAs/InP材料2x2開關單元結構

2.電光效應（Electro-OpticEffect）

電光效應則是利用外加電壓改變材料折射率，進而調控光信號路徑。在硅基平臺上，由于硅本身不具備顯著的線性電光效應，研究人員多采用載流子色散效應（PlasmaDispersionEffect）來實現(xiàn)高速調制。

通過在PN結或PIN結構上施加正向偏壓，注入自由載流子，改變硅波導的有效折射率，從而實現(xiàn)快速相位調節(jié)。這類開關響應速度快（可達納秒甚至皮秒級），非常適合用于動態(tài)光網絡。

例如，論文中提到的基于PIN結構的電光開關單元，測試顯示其串擾低于-29dB，插入損耗約1.1dB，具備良好的高速性能。

16x16 Benes網絡光開關陣列芯片結構圖

三、光開關的主要分類

按照不同的標準，光開關可以分為多種類型。以下是幾種常見的分類方式：

（一）按工作原理分類

其中，硅基熱光與電光開關因兼容CMOS工藝、易于大規(guī)模集成，近年來受到廣泛關注。

（二）按集成平臺分類

• 硅基光子集成平臺（SOI）：成本低、尺寸小、易與電子電路單片集成，適合大規(guī)模生產。

• III-V族材料平臺（如InP）：具有優(yōu)異的電光性能，但成本高、難集成。

• 氮化硅（SiN）平臺：超低損耗、寬透明窗口，適合長距離傳輸。

• PLC平臺（平面光波導）：成熟商用，常用于32×32以下陣列，但擴展性有限。

32×32 Benes網絡拓撲結構圖解

（三）按網絡拓撲結構分類

大規(guī)模陣列光開關通常采用特定的互連網絡結構，以保證任意輸入均可無阻塞地連接到任意輸出。

常見結構包括：

• Crossbar交叉矩陣：全連接，無阻塞性能最好，但復雜度高（N2個開關單元）

• Benes網絡：遞歸結構，可重構且嚴格無阻塞，所需開關單元少

• Spanke-Benes網絡：Benes的改進版，進一步降低插入損耗

• Dilated-Bene結構：增加中間級提升靈活性

論文中重點研究的就是128端口Benes網絡熱光陣列開關，這是目前除MEMS外最大規(guī)模的硅基可重構無阻塞網絡。

240×240 MEMS Crossbar網絡光開關實物圖

四、大規(guī)模陣列光開關的技術挑戰(zhàn)

盡管光開關前景廣闊，但在實際研發(fā)與產業(yè)化過程中仍面臨諸多難題。

結合論文分析，主要有以下幾個方面：

1.插入損耗隨端口數增加而急劇上升

隨著陣列規(guī)模擴大，光信號需經過多個開關單元和交叉波導，每一步都會引入額外損耗。若不加以優(yōu)化，總損耗可能高達幾十dB，嚴重影響系統(tǒng)信噪比。

解決方案包括：

• 設計低損耗2×2耦合器（如MMI或多模干涉儀）

• 使用低串擾交叉波導結構

• 引入半導體光放大器（SOA）進行增益補償

論文中設計的2×2熱光開關單元插入損耗僅為0.25dB，在整個40nm波長范圍內串擾優(yōu)于-20dB，表現(xiàn)出優(yōu)異的寬帶性能。

2.光電封裝難度大

大規(guī)模陣列往往擁有上千個電學引腳（如本項目達1690個），如何實現(xiàn)高密度布線、散熱管理及可靠連接是一大挑戰(zhàn)。

論文創(chuàng)新性地設計了硅轉接板，解決了高密度引腳扇出問題，并配合PCB驅動電路模塊化設計，實現(xiàn)了對上千通道的精確控制。

3.偏振相關性問題

大多數硅波導對TE和TM模式的響應不同，導致器件性能受偏振態(tài)影響。理想情況下應實現(xiàn)偏振無關操作。

部分研究嘗試采用雙層光柵、混合集成等方式緩解此問題。例如中山大學團隊利用鈮酸鋰與硅混合集成，實現(xiàn)了偏振無關的2×2光開關。

鈮酸鋰與硅混合集成偏振無關光開關結構

五、國內外研究現(xiàn)狀對比

下表總結了近年來全球范圍內代表性的大規(guī)模光開關研究成果：

從中可以看出：

• UCBerkeley的MEMS方案實現(xiàn)了240×240最大端口數

• IBM首次實現(xiàn)8×8單片集成光電驅動

• 日本AIST的32×32熱光開關達到較低片上損耗（6.1dB）

• 本論文實現(xiàn)的128端口Benes網絡熱光開關，是當時除MEMS外最大規(guī)模的硅基可重構無阻塞陣列

這標志著我國在硅基光子集成領域已具備國際競爭力。

六、光開關的發(fā)展趨勢與未來

綜合來看，未來大規(guī)模陣列光開關的發(fā)展將呈現(xiàn)以下趨勢：

1.向更高集成度演進

追求更大規(guī)模（如256×256甚至1024×1024）、更低功耗、更小體積的一體化芯片。

2.多材料異質集成

單一材料難以兼顧所有性能指標。未來的芯片或將融合硅、氮化硅、III-V族材料、鈮酸鋰等，發(fā)揮各自優(yōu)勢。

3.單片集成驅動電路

將控制邏輯、驅動電源、監(jiān)測單元等直接集成在同一芯片上，提升可靠性與響應速度。

4.智能化控制與自動化測試

開發(fā)配套的上位機程序與自動校準算法，提高調試效率與量產可行性。

七、光開關，正在重塑信息世界

從實驗室走向產線，從理論走向應用，光開關正逐步替代傳統(tǒng)的電交換設備，成為構建綠色、高效、智能數據中心的核心力量。

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（注：本文部分內容由AI協(xié)助習作，僅供參考）

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