一、引言：光開(kāi)關(guān)助力下一代數據中心發(fā)展

近年來(lái)，隨著(zhù) AI、大數據、云服務(wù)等新興技術(shù)的爆發(fā)式增長(cháng)，全球數據中心面臨前所未有的數據流量壓力。傳統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(kāi)關(guān)技術(shù)則以其高速率、低功耗、可擴展性強等特點(diǎn)，成為構建高效數據中心網(wǎng)絡(luò )的重要支撐。

廣西科毅光通信科技有限公司長(cháng)期致力于光通信領(lǐng)域的研發(fā)與生產(chǎn)，專(zhuān)注于為客戶(hù)提供穩定、高效的光器件產(chǎn)品和服務(wù)。我們的官網(wǎng) www.www.hellosk.com 提供了豐富的光通信產(chǎn)品信息和技術(shù)支持，歡迎訪(fǎng)問(wèn)了解更多信息。

二、光開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵性能指標

在評估數據中心用光開(kāi)關(guān)時(shí)，需關(guān)注以下十大關(guān)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(shí)時(shí)性要求高的應用至關(guān)重要。

3. 互連性：支持服務(wù)器之間大量并發(fā)流的傳輸。

4. 可擴展性：網(wǎng)絡(luò )應能經(jīng)濟高效地擴展至大規模節點(diǎn)。

5. 重新配置速度：納秒至微秒級切換，實(shí)現靈活帶寬分配。

6. 功率效率：目標能耗控制在 1 pJ/bit 或更低。

7. 成本：每個(gè)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(shí)需低于 10 dB。

9. 串擾：大型開(kāi)關(guān)矩陣要求典型值低于 -35 dB。

10. 端口數量：至少支持 16-32 個(gè)端口。

圖1 展示了上述部分指標與光開(kāi)關(guān)性能之間的關(guān)系。

圖1 

三、主流光開(kāi)關(guān)架構對比分析

目前常見(jiàn)的光開(kāi)關(guān)架構主要包括以下幾種類(lèi)型：

圖2 展示了幾種常見(jiàn)光開(kāi)關(guān)拓撲結構的示意圖。

圖2

不同的架構選擇將直接影響開(kāi)關(guān)的阻塞行為、串擾水平、元件數量及系統復雜度，因此需根據實(shí)際應用場(chǎng)景進(jìn)行權衡設計。

下表總結了不同架構的這些特性：

四、光開(kāi)關(guān)的核心集成技術(shù)平臺

當前，光開(kāi)關(guān)主要基于以下三大類(lèi)集成平臺實(shí)現：

1. 硅基光電子技術(shù)

• 優(yōu)勢：

• 基于成熟 CMOS 工藝，適合大規模量產(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(kāi)關(guān)機制

代表產(chǎn)品：

• 32×32 TO 開(kāi)關(guān)：平均插入損耗 10.8 dB，帶寬 3.5 nm，串擾 -20 dB

• 64×64 熱光貝內什開(kāi)關(guān)：插入損耗 12–18 dB，串擾 -30 至 -44 dB

2. InP 光電子技術(shù)

• 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(kāi)關(guān)

• 8×8×8λ 空間/波長(cháng)聯(lián)合開(kāi)關(guān)：片上損耗 13.3 dB，重配置時(shí)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(wú)源優(yōu)勢

• 支持倒裝芯片鍵合、單片生長(cháng)等多種集成方式

代表產(chǎn)品：

• 8×8 混合光開(kāi)關(guān)（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(kāi)關(guān)結構與性能表現

1. 硅基光電子開(kāi)關(guān)結構

• 熱光（TO）多路復用器開(kāi)關(guān)

• 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(kāi)關(guān)

• 電光（EO）多路復用器開(kāi)關(guān)

• 響應速度快（~ns），功耗略高

• 實(shí)現 32×32 EO Bene? 開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)時(shí)間 1–1.2 ns

2. InP 光開(kāi)關(guān)結構

• 支持半導體光放大器（SOA）的單片集成

• 實(shí)現無(wú)損操作和快速切換

• 示例：16×16 全有源 SOA 開(kāi)關(guān)

3. 異構光電子集成開(kāi)關(guān)結構

• 將 InP 有源器件與硅無(wú)源器件混合集成

• 技術(shù)路線(xiàn)包括：

• InP SOA 倒裝芯片鍵合

• 硅上 III-V 單片生長(cháng)

• III-V 器件轉移印刷到硅上

圖4 展示了一個(gè)典型的 8×8×8λ InP 開(kāi)關(guān)結構。

圖5 展示了一個(gè)混合波長(cháng)選擇開(kāi)關(guān)（WSS）的應用實(shí)例。

六、光開(kāi)關(guān)在數據中心的應用場(chǎng)景

1. 分布式深度學(xué)習訓練

• 使用光電路開(kāi)關(guān)（OCS）動(dòng)態(tài)重組服務(wù)器連接

• 在 16 節點(diǎn)測試平臺上，相比靜態(tài)拓撲，網(wǎng)絡(luò )性能提升 3.6 倍

2. HPC 帶寬控制

• Flexfly 架構利用硅光開(kāi)關(guān)實(shí)現蜻蜓群組間的動(dòng)態(tài)鏈接

• 支持按需調整帶寬，適應不同應用流量模式

3. 分散式數據中心架構

• DACON 架構使用納秒級光開(kāi)關(guān)實(shí)現資源靈活配置

• 實(shí)驗數據顯示，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(xué)習測試平臺與 DACON 架構的拓撲結構。

七、結語(yǔ)：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(zhuān)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(dòng)光開(kāi)關(guān)及相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng )新與市場(chǎng)應用。我們提供多種類(lèi)型的光開(kāi)關(guān)產(chǎn)品，廣泛應用于數據中心、高性能計算、AI 訓練等領(lǐng)域，滿(mǎn)足客戶(hù)對高速、低功耗、高可靠性的多樣化需求。

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