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2025-06-26
一、引言：光開關助力下一代數(shù)據(jù)中心發(fā)展
近年來，隨著 AI、大數(shù)據(jù)、云服務等新興技術的爆發(fā)式增長，全球數(shù)據(jù)中心面臨前所未有的數(shù)據(jù)流量壓力。傳統(tǒng)的電子交換設備在容量、延遲、能耗等方面逐漸暴露出瓶頸，而光開關技術則以其高速率、低功耗、可擴展性強等特點，成為構建高效數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的重要支撐。
廣西科毅光通信科技有限公司長期致力于光通信領域的研發(fā)與生產(chǎn)，專注于為客戶提供穩(wěn)定、高效的光器件產(chǎn)品和服務。我們的官網(wǎng) www.www.753yiyou.com 提供了豐富的光通信產(chǎn)品信息和技術支持，歡迎訪問了解更多信息。
二、光開關的關鍵性能指標
在評估數(shù)據(jù)中心用光開關時，需關注以下十大關鍵性能指標：
1. 容量：支持高帶寬交換，尤其適用于機架間和集群間的通信。
2. 延遲：微秒或更低的延遲對實時性要求高的應用至關重要。
3. 互連性：支持服務器之間大量并發(fā)流的傳輸。
4. 可擴展性：網(wǎng)絡應能經(jīng)濟高效地擴展至大規(guī)模節(jié)點。
5. 重新配置速度：納秒至微秒級切換，實現(xiàn)靈活帶寬分配。
6. 功率效率：目標能耗控制在 1 pJ/bit 或更低。
7. 成本：每個端口成本目標約為 10 美元，以保持競爭力。
8. 插入損耗：級聯(lián)使用時需低于 10 dB。
9. 串擾：大型開關矩陣要求典型值低于 -35 dB。
10. 端口數(shù)量：至少支持 16-32 個端口。
圖1 展示了上述部分指標與光開關性能之間的關系。
圖1
三、主流光開關架構對比分析
目前常見的光開關架構主要包括以下幾種類型：
架構名稱 | 特點 | 優(yōu)缺點 |
榕樹型 | 交換元件最少 | 存在阻塞問題 |
Bene? | 可重排無阻塞 | 元件數(shù)量少 |
交叉開關 | 嚴格無阻塞 | N 個端口需 N2 個元件 |
N 級平面 | 避免波導交叉 | 利于集成 |
路徑無關損耗（PILOSS） | 所有路徑損耗一致 | 設計復雜度高 |
擴張網(wǎng)絡 | 消除一階串擾 | 元件數(shù)量增加 |
圖2 展示了幾種常見光開關拓撲結構的示意圖。
圖2
不同的架構選擇將直接影響開關的阻塞行為、串擾水平、元件數(shù)量及系統(tǒng)復雜度，因此需根據(jù)實際應用場景進行權衡設計。
下表總結了不同架構的這些特性：
四、光開關的核心集成技術平臺
當前，光開關主要基于以下三大類集成平臺實現(xiàn)：
1. 硅基光電子技術
優(yōu)勢：
基于成熟 CMOS 工藝，適合大規(guī)模量產(chǎn)
成本低廉、器件緊湊
局限：
插入損耗和串擾較高
主要采用熱光（TO）或電光（EO）開關機制
代表產(chǎn)品：
32×32 TO 開關：平均插入損耗 10.8 dB，帶寬 3.5 nm，串擾 -20 dB
64×64 熱光貝內(nèi)什開關：插入損耗 12–18 dB，串擾 -30 至 -44 dB
2. InP 光電子技術
優(yōu)勢：
可集成激光器、SOA 等有源元件
低損耗、高消光比、快速響應（納秒級）
局限：
成本高于硅基平臺
代表產(chǎn)品：
16×16 SOA 全有源開關
8×8×8λ 空間/波長聯(lián)合開關：片上損耗 13.3 dB，重配置時間 5 ns
3. 硅基 III-V 混合器件
優(yōu)勢：
結合 InP 的有源性能與硅的無源優(yōu)勢
支持倒裝芯片鍵合、單片生長等多種集成方式
代表產(chǎn)品：
8×8 混合光開關（倒裝芯片鍵合 SOA）
圖3 展示了不同平臺之間的性能與成本對比。
五、典型光開關結構與性能表現(xiàn)
1. 硅基光電子開關結構
熱光（TO）多路復用器開關
使用加熱器誘導相移，功耗較低但響應較慢（~μs）
應用于 PILOSS 架構下的 32×32 開關
電光（EO）多路復用器開關
響應速度快（~ns），功耗略高
實現(xiàn) 32×32 EO Bene? 開關，開關時間 1–1.2 ns
2. InP 光開關結構
支持半導體光放大器（SOA）的單片集成
實現(xiàn)無損操作和快速切換
示例：16×16 全有源 SOA 開關
3. 異構光電子集成開關結構
將 InP 有源器件與硅無源器件混合集成
技術路線包括：
InP SOA 倒裝芯片鍵合
硅上 III-V 單片生長
III-V 器件轉移印刷到硅上
圖4 展示了一個典型的 8×8×8λ InP 開關結構。
圖5 展示了一個混合波長選擇開關（WSS）的應用實例。
六、光開關在數(shù)據(jù)中心的應用場景
1. 分布式深度學習訓練
使用光電路開關（OCS）動態(tài)重組服務器連接
在 16 節(jié)點測試平臺上，相比靜態(tài)拓撲，網(wǎng)絡性能提升 3.6 倍
2. HPC 帶寬控制
Flexfly 架構利用硅光開關實現(xiàn)蜻蜓群組間的動態(tài)鏈接
支持按需調整帶寬，適應不同應用流量模式
3. 分散式數(shù)據(jù)中心架構
DACON 架構使用納秒級光開關實現(xiàn)資源靈活配置
實驗數(shù)據(jù)顯示，應用運行速度提高 1.74 倍，功耗降低 34%
圖6 和圖7 分別展示了分布式深度學習測試平臺與 DACON 架構的拓撲結構。
七、結語：廣西科毅光通信科技有限公司助力行業(yè)發(fā)展
作為一家專業(yè)的光通信解決方案提供商，廣西科毅光通信科技有限公司始終致力于推動光開關及相關產(chǎn)品的技術創(chuàng)新與市場應用。我們提供多種類型的光開關產(chǎn)品，廣泛應用于數(shù)據(jù)中心、高性能計算、AI 訓練等領域，滿足客戶對高速、低功耗、高可靠性的多樣化需求。
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