隨著全球數字化進程的不斷加快，云計算、人工智能、5G通信等新興技術對數據傳輸能力提出了前所未有的高要求。在這一背景下，數據中心作為信息社會的核心基礎設施，其內部的數據交換效率直接決定了整個網絡系統(tǒng)的性能表現。然而，傳統(tǒng)的電交換技術正面臨功耗高、延遲大、帶寬受限等瓶頸問題，已難以滿足當前及未來高速發(fā)展的通信需求。

根據相關數據顯示，近年來數據中心的通信流量以每年約25%的速度持續(xù)增長，而現有電交換機的容量提升速度卻遠遠落后于實際需求。更為嚴峻的是，先進CMOS芯片的功耗已接近集成電路冷卻技術的極限（約300W），導致電氣開關的發(fā)展陷入停滯。在此形勢下，光交換技術因其具備高帶寬、低延遲、低功耗等顯著優(yōu)勢，被視為下一代數據中心交換架構的理想解決方案。

其中，基于硅基集成光電子平臺的硅基光開關（SiliconOpticalSwitch）憑借其體積小、成本低、易于與CMOS工藝兼容等特點，成為當前學術界和產業(yè)界共同關注的技術焦點。

一、傳統(tǒng)電交換的瓶頸與光交換的崛起

在傳統(tǒng)數據中心中，服務器之間的連接主要依賴于電交換機完成數據路由。

但隨著數據量激增，電互連方式暴露出諸多短板：

• 功耗過高：高速電信號在長距離傳輸過程中損耗嚴重，需頻繁中繼放大，導致整體能耗居高不下；

• 速率受限：受制于趨膚效應和串擾影響，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)風冷/液冷方案難以為繼；

• 擴展性差：端口密度受限于PCB布線空間，難以實現超大規(guī)模并行交換。

相比之下，光交換技術通過將電信號轉換為光信號進行傳輸與路由，從根本上規(guī)避了上述問題。光子不帶電荷、無電磁干擾、可多波長復用（WDM），使得單根光纖即可承載Tbps級帶寬，且傳輸過程幾乎無熱積累。

更重要的是，利用絕緣體上硅（SOI,Silicon-on-Insulator）平臺開發(fā)的硅基光開關芯片，可在微米尺度上集成大量光學元件，如波導、分束器、調制器和探測器，形成高度緊湊的光電集成回路（PhotonicIntegratedCircuit,PIC）。這種“光子芯片”不僅大幅縮小設備體積，還顯著降低了單位比特傳輸的能耗。

因此，發(fā)展高性能、可重構、大規(guī)模的陣列光開關（OpticalSwitchArray）已成為構建綠色節(jié)能、高效智能數據中心的關鍵路徑之一。

二、硅基光開關的工作原理與核心結構

2.1光開關的基本分類

目前主流的光開關技術主要包括以下幾類：

從發(fā)展趨勢看，硅基光開關因響應速度快、集成度高、適合批量制造，正逐步取代PLC和MEMS方案，成為數據中心內部互聯的首選技術路線。

2.2 硅基2×2基本開關單元設計

所有大規(guī)模陣列光開關都由最基本的2×2開關單元構成。最常見的結構是馬赫-曾德爾干涉儀（MZI,Mach-ZehnderInterferometer），其工作原理如下：

當輸入光進入MZI后，首先被一個分束器（Splitter）均分為兩路，分別沿上下兩個臂傳播。其中一個臂上設有相移器（PhaseShifter），通過外部激勵（熱或電）改變該臂的光程差，從而調控兩路光信號的干涉狀態(tài)，最終實現“直通”或“交叉”兩種輸出模式。

InGaAs/InP材料2x2開關單元結構

該結構廣泛應用于各類集成光開關中，包括本研究重點涉及的熱光型和電光型兩種MZI開關。

三、熱光與電光開關單元的技術對比分析

3.1 熱光開關單元：低損耗、穩(wěn)定性強

熱光開關利用電流通過金屬加熱器產生熱量，使硅波導局部溫度升高，從而改變其折射率，實現相位調節(jié)。

該方式具有以下優(yōu)點：

• 結構簡單，無需復雜摻雜工藝；

• 功耗較低，靜態(tài)維持無需持續(xù)供電；

• 相位控制精度高，長期穩(wěn)定性好；

• 易于實現大規(guī)模陣列集成。

在曹偉杰的研究中，設計了一種用于O波段（1310nm）的硅基2×2熱光開關單元，實測結果如下：

• 插入損耗：約0.25dB

• 串擾水平：1310nm處達–28dB

• 工作帶寬：在整個40nm范圍內串擾優(yōu)于–20dB

盡管相比國際最先進水平（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，更適合多波長應用場景。

此外，熱光開關切換時間通常在幾十微秒級別，雖不及電光型快速，但對于大多數非實時任務調度仍足夠使用。

3.2 電光開關單元：納秒級響應，面向高速交換

為了應對更高頻率的動態(tài)資源分配需求（如AI訓練集群中的突發(fā)流量調度），需要具備ns級切換速度的電光開關。這類器件通?；凇拜d流子色散效應”（PlasmaDispersionEffect），通過向PN或PIN結注入載流子來改變波導的有效折射率。

曹偉杰團隊所設計的電光開關單元采用正偏PIN結構，測試結果顯示：

• 單元插入損耗：約1.1dB

• 串擾水平：1318nm處達–29dB

• –25dB串擾帶寬：超過30nm

• 切換速度：可達ns級

值得注意的是，該性能是在未使用可調衰減器（VOA）或級聯結構的情況下實現的，已接近當前世界領先水平（插入損耗~0.8dB，串擾~–28dB，但帶寬僅約10nm）。這表明國產硅基電光開關在保持較寬帶寬的同時，也能實現良好的消光比與低串擾特性。

A240×240 MEMS Crossbar網絡硅基大規(guī)模陣列光開關

四、128端口Benes網絡熱光開關陣列的設計與實現

4.1 大規(guī)模陣列拓撲選擇：為何選用Benes網絡？

在構建多端口光開關時，如何在保證“無阻塞性”（Non-blocking）的同時最小化器件數量和插入損耗，是一個關鍵挑戰(zhàn)。常見的拓撲結構有Clos、Spanke-Benes、Dilated-Benes等。

本研究采用128×128Benes網絡結構，其優(yōu)勢在于：

• 可重構性強，任意輸入均可連接至任意輸出；

• 所需MZI單元數較少，約為量級（即約896個）；

• 支持分階段配置，便于分布式控制；

• 易于模塊化擴展。

經過優(yōu)化設計，最終芯片面積僅為16.2×16mm2，共包含1690個電學引腳，是當時除MEMS外全球最大規(guī)模的可重構無阻塞硅基光開關陣列。

4.2 高密度電學封裝難題的解決之道

如此高密度的電極引出，給傳統(tǒng)PCB封裝帶來極大挑戰(zhàn)。若采用金絲鍵合，極易出現短路、斷線等問題；若采用倒裝焊，則對對準精度要求極高。

為此，研究人員創(chuàng)新性地設計并制作了硅轉接板（SiliconInterposer），成功解決了高密度電學引腳的扇出（Fan-out）問題。該轉接板采用深硅刻蝕與再布線工藝，將芯片上的密集焊盤重新分布到外圍標準間距接口，極大提升了封裝良率與可靠性。

同時，配套開發(fā)了專用的PCB驅動電路板與上位機控制程序，實現了對單個96通道模塊的獨立測試與調控。更重要的是，該控制系統(tǒng)支持多模塊拼接，理論上可擴展至數千通道，為未來更大規(guī)模光開關提供了可行的技術路徑。

32x32Benes網絡芯片封裝實物 

五、國內外研究現狀對比與產業(yè)發(fā)展趨勢

下表總結了近年來國內外在硅基光開關領域的重要研究成果：

*注：IBM數據為光纖至光纖損耗

從中可以看出，我國在硅基光開關領域已取得重要突破，尤其在電光開關響應速度方面處于國際前列。而在端口規(guī)模上，本次實現的128端口Benes陣列，標志著我國在大規(guī)?？芍貥嫻忾_關方向邁出了關鍵一步。

六、結語：邁向全光智能數據中心的新時代

隨著數據洪流的到來，傳統(tǒng)電交換體系已走到升級變革的臨界點。以硅基大規(guī)模陣列光開關為代表的新型光交換技術，正在以其卓越的性能潛力，重塑未來數據中心的底層架構。

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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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