在當(dāng)今高速發(fā)展的信息時(shí)代，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和數(shù)據(jù)吞吐量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。面對(duì)日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)交換需求，傳統(tǒng)的電互聯(lián)與電交換技術(shù)逐漸暴露出功耗高、延遲大、帶寬受限等瓶頸問題。為突破這些限制，光互連取代電互連、光交換替代電交換已成為構(gòu)建低功耗、可持續(xù)數(shù)據(jù)中心的重要方向。而在眾多光交換技術(shù)中，硅基光開關(guān)與MEMS光開關(guān)作為當(dāng)前最具代表性的兩類方案，正展開一場(chǎng)關(guān)于“未來主流”的激烈角逐。

一、我們需要更快的光開關(guān)

隨著5G、人工智能、云計(jì)算等新興技術(shù)的普及，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的數(shù)據(jù)流量急劇上升。傳統(tǒng)基于銅纜的電互聯(lián)方式已難以滿足超高帶寬和低延遲的需求。而光互連憑借其低串?dāng)_、低延時(shí)、大容量等優(yōu)勢(shì)，成為解決這一難題的關(guān)鍵路徑。

其中，光開關(guān)是實(shí)現(xiàn)光路動(dòng)態(tài)調(diào)度的核心器件，廣泛應(yīng)用于光交叉連接（OXC）、波長(zhǎng)選擇開關(guān)（WSS）、數(shù)據(jù)中心互連（DCI）等場(chǎng)景。

一個(gè)理想的光開關(guān)應(yīng)具備以下特性：

• 高端口數(shù)支持

• 低插入損耗

• 快速切換時(shí)間（遠(yuǎn)小于1ms）

• 小體積、低功耗

• 易于大規(guī)模集成

目前市場(chǎng)上主流的光開關(guān)技術(shù)主要包括三類：

1. 空間型光開關(guān)（如3D-MEMS）

2. 平面光波導(dǎo)型光開關(guān)（PLC平臺(tái)）

3. 集成波導(dǎo)型光開關(guān)（如硅基光電子）

在這三者之中，MEMS光開關(guān)長(zhǎng)期占據(jù)商用市場(chǎng)主導(dǎo)地位，而硅基光開關(guān)則被視為最具潛力的顛覆性技術(shù)之一。

二、MEMS光開關(guān)：成熟但面臨瓶頸

MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）光開關(guān)利用微機(jī)電系統(tǒng)控制鏡面偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)光路的切換。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，可分為2D-MEMS和3D-MEMS兩種類型，其中3D-MEMS因可支持上百個(gè)端口，在大型光網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用廣泛。

優(yōu)點(diǎn)：

• 技術(shù)成熟，已有多年商用歷史

• 支持百端口級(jí)交換能力

• 光纖到光纖插入損耗低（約幾dB）

• 對(duì)偏振不敏感

缺點(diǎn)：

• 切換時(shí)間慢：通常在毫秒級(jí)別（>1ms），無法滿足實(shí)時(shí)調(diào)度需求

• 體積較大：依賴機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，難以進(jìn)一步微型化

• 可靠性受環(huán)境影響：振動(dòng)、溫度變化可能影響鏡面精度

• 難以與CMOS工藝兼容：不利于片上系統(tǒng)集成

“這兩種光開關(guān)的切換時(shí)間幾乎都在毫秒級(jí)，極大的限制了其在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。”雖然MEMS在穩(wěn)定性方面表現(xiàn)優(yōu)異，但在追求極致效率的數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景下，其響應(yīng)速度已成為致命短板。

三、硅基光開關(guān)：新一代高速光交換的希望

相比之下，硅基光開關(guān)基于絕緣體上硅（SOI）平臺(tái)，采用集成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過熱光效應(yīng)或載流子色散效應(yīng)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，進(jìn)而完成光路切換。該技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于其與現(xiàn)有半導(dǎo)體制造工藝的高度兼容性。

核心優(yōu)勢(shì)：

1.超高速響應(yīng)

集成光波導(dǎo)型光開關(guān)可實(shí)現(xiàn)微秒至納秒級(jí)的切換速度，遠(yuǎn)超MEMS的毫秒級(jí)水平。例如，英國(guó)劍橋大學(xué)MinshengDing等人在三五族平臺(tái)上設(shè)計(jì)的4×4DilatedBenes架構(gòu)陣列光開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了約6ns的開關(guān)時(shí)間——這正是未來全光網(wǎng)絡(luò)所必需的速度。

硅基4x4陣列光開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

2.高集成度&小尺寸

硅基光開關(guān)采用CMOS兼容工藝，可在單芯片上集成數(shù)百甚至上千個(gè)開關(guān)單元。論文中提到的設(shè)計(jì)包括128×128 Benes網(wǎng)絡(luò)熱光開關(guān)芯片，充分展示了其在大規(guī)模陣列方面的潛力。

3.低功耗&低成本

相比需要驅(qū)動(dòng)微鏡運(yùn)動(dòng)的MEMS，硅基光開關(guān)使用熱光或電光效應(yīng)調(diào)控，所需驅(qū)動(dòng)電壓更低，靜態(tài)功耗更小。同時(shí)，借助成熟的集成電路生產(chǎn)線，有望大幅降低量產(chǎn)成本。

四、關(guān)鍵技術(shù)對(duì)比：性能參數(shù)一覽表

從上表可以看出，硅基光開關(guān)在響應(yīng)速度、集成度和功耗方面具有壓倒性優(yōu)勢(shì)，尤其適合用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互連。

五、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀：誰走在前列？

國(guó)外進(jìn)展迅速

• 英國(guó)劍橋大學(xué)：2018年，MinshengDing團(tuán)隊(duì)基于三五族材料平臺(tái)開發(fā)出4×4DilatedBenes架構(gòu)光開關(guān)，

  實(shí)現(xiàn)6ns切換時(shí)間、串?dāng)_<-47dB、片上損耗僅1.3dB，標(biāo)志著高速集成光開關(guān)的重大突破。

• Intel、IBM、Cisco等科技巨頭也早已布局硅光子領(lǐng)域，推動(dòng)硅基光收發(fā)模塊商業(yè)化。

• AyarLabs、Lightmatter等初創(chuàng)企業(yè)正在推進(jìn)基于硅光的光學(xué)計(jì)算與互連產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)奮起直追

我國(guó)近年來在硅基光電子領(lǐng)域投入加大，高校與科研機(jī)構(gòu)成果頻出：

• 浙江大學(xué)儲(chǔ)濤教授團(tuán)隊(duì)在熱光與電光混合調(diào)控的大規(guī)模陣列光開關(guān)方面取得重要進(jìn)展；

• 中科院半導(dǎo)體所、上海微系統(tǒng)所也在SOI平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了多種高性能光開關(guān)原型；

• 華為、中興等通信設(shè)備商開始嘗試將硅光技術(shù)引入下一代光傳輸設(shè)備。

盡管整體仍落后于歐美，但國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈正加速完善，國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程有望加快。

六、挑戰(zhàn)與難點(diǎn)：硅基光開關(guān)還需跨越哪些門檻？

盡管前景廣闊，但硅基光開關(guān)要真正取代MEMS成為主流，仍需克服一系列技術(shù)挑戰(zhàn)：

1.插入損耗控制

雖然實(shí)驗(yàn)室條件下可達(dá)1.3dB，但在大規(guī)模陣列中，級(jí)聯(lián)帶來的累積損耗會(huì)顯著增加。如何優(yōu)化波導(dǎo)耦合效率、減少?gòu)澢鷵p耗是關(guān)鍵。

2.串?dāng)_抑制

多通道并行工作時(shí)易產(chǎn)生串?dāng)_，尤其在高密度布線情況下。論文中提到可通過SOA（半導(dǎo)體光放大器）進(jìn)行補(bǔ)償與抑制，但這增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。

3.熱管理問題

熱光開關(guān)依賴加熱改變折射率，頻繁操作會(huì)導(dǎo)致局部溫升，影響穩(wěn)定性和壽命。需設(shè)計(jì)高效的散熱結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)向電光調(diào)制方案。

4.封裝與測(cè)試自動(dòng)化

大規(guī)模陣列涉及數(shù)百個(gè)電極引腳，傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)試效率低下。論文第5.3節(jié)專門探討了高密度電學(xué)封裝與自動(dòng)化控制程序的設(shè)計(jì)，這是走向量產(chǎn)的必經(jīng)之路。

七、全光網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來

隨著AI訓(xùn)練集群、超算中心、邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的普及，對(duì)超低延遲、超高帶寬的光交換需求將持續(xù)攀升。MEMS光開關(guān)雖短期內(nèi)仍將占據(jù)一定市場(chǎng)，但其物理原理決定了它無法突破毫秒級(jí)響應(yīng)的天花板。

而硅基光開關(guān)憑借其CMOS兼容性、高速響應(yīng)、高集成度三大核心優(yōu)勢(shì)，將成為構(gòu)建全光高速通信網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。特別是當(dāng)其與相干通信、波分復(fù)用、光計(jì)算等前沿技術(shù)融合后，有望徹底重構(gòu)數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)。

八、廣西科毅光通信的技術(shù)布局與思考

作為一家專注于光通信產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，【廣西科毅光通信科技有限公司】始終關(guān)注行業(yè)前沿動(dòng)態(tài)。我們深知，未來的競(jìng)爭(zhēng)不僅是產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)，更是核心技術(shù)與創(chuàng)新能力的競(jìng)爭(zhēng)。

目前，我司已在以下幾個(gè)方向展開布局：

• 深耕PLC型光開關(guān)模塊，提供穩(wěn)定可靠的32端口以下解決方案；

• 積極跟蹤硅基光開關(guān)技術(shù)進(jìn)展，與高校開展產(chǎn)學(xué)研合作；

• 探索基于SOI平臺(tái)的微型化、低功耗光開關(guān)原型開發(fā)；

• 建設(shè)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)，提升批量交付能力。

我們堅(jiān)信，無論技術(shù)路線如何演進(jìn)，以客戶需求為中心、以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)的企業(yè)才能走得更遠(yuǎn)。

擇合適的光開關(guān)等光學(xué)器件及光學(xué)設(shè)備是一項(xiàng)需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應(yīng)商實(shí)力的工作。希望本指南能為您提供清晰的思路。我們建議您在明確自身需求后，詳細(xì)對(duì)比關(guān)鍵參數(shù)，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術(shù)扎實(shí)、質(zhì)量可靠、服務(wù)專業(yè)的合作伙伴。

如果您對(duì)磁光開關(guān)產(chǎn)品有需求，或想了解更多光通信相關(guān)產(chǎn)品信息，訪問廣西科毅光通信官網(wǎng)www.www.czflyt.com瀏覽我們的光開關(guān)產(chǎn)品，或聯(lián)系我們的銷售工程師，獲取專屬的選型建議和報(bào)價(jià)！

（注：本文部分內(nèi)容由AI協(xié)助習(xí)作，僅供參考）

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