在當(dāng)今信息爆炸的時(shí)代，數(shù)據(jù)中心、5G通信、云計(jì)算和人工智能等技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c效率提出了前所未有的高要求。作為支撐這些關(guān)鍵技術(shù)的核心器件之一，光開關(guān)正逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，成為現(xiàn)代高速光網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的關(guān)鍵組件。

一、什么是光開關(guān)？

簡(jiǎn)單來說，光開關(guān)是一種能夠控制光信號(hào)路徑切換的光學(xué)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(shí)現(xiàn)光信號(hào)的路由選擇、保護(hù)倒換、波長(zhǎng)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(gè)“閘”控制的是光信號(hào)而不是電流。當(dāng)需要改變數(shù)據(jù)流向時(shí)，光開關(guān)會(huì)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(shù)據(jù)中心流量年均增長(zhǎng)超過25%，傳統(tǒng)電交換機(jī)已接近功耗極限（約300W），難以滿足未來超大帶寬、超低時(shí)延的需求。而光交換技術(shù)憑借高容量、低功耗、低延遲的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是下一代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的重要方向。

正如浙江大學(xué)該篇碩士論文摘要中指出：“光交換技術(shù)具有高容量、低延時(shí)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，符合當(dāng)下數(shù)據(jù)中心對(duì)新一代交換技術(shù)的需求?！?/span>

因此，研究并制造高性能、可擴(kuò)展性強(qiáng)的大規(guī)模陣列光開關(guān)，已成為國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)競(jìng)相布局的重點(diǎn)領(lǐng)域。

二、光開關(guān)的基本工作原理

要理解光開關(guān)的工作機(jī)制，首先要了解它是如何通過物理效應(yīng)來調(diào)控光信號(hào)的。

根據(jù)調(diào)制方式的不同，主流光開關(guān)主要依賴以下兩種物理效應(yīng)：

1.熱光效應(yīng)（Thermo-OpticEffect）

熱光效應(yīng)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(xué)中，常用二氧化硅包覆的硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過在波導(dǎo)上方集成微加熱器，局部加熱使波導(dǎo)區(qū)域的折射率發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。

典型應(yīng)用是熱光型馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）結(jié)構(gòu)。在一個(gè)MZI中，輸入光被分成兩束，在兩個(gè)臂上傳播后重新合并。當(dāng)其中一個(gè)臂被加熱產(chǎn)生π相移時(shí)，兩束光發(fā)生相消干涉，輸出端口切換，實(shí)現(xiàn)“開”與“關(guān)”的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

這種開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、易于集成，但缺點(diǎn)是響應(yīng)速度較慢（通常在微秒級(jí)），功耗相對(duì)較高。

InGaAs/InP材料2x2開關(guān)單元結(jié)構(gòu)

2.電光效應(yīng)（Electro-OpticEffect）

電光效應(yīng)則是利用外加電壓改變材料折射率，進(jìn)而調(diào)控光信號(hào)路徑。在硅基平臺(tái)上，由于硅本身不具備顯著的線性電光效應(yīng)，研究人員多采用載流子色散效應(yīng)（PlasmaDispersionEffect）來實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制。

通過在PN結(jié)或PIN結(jié)構(gòu)上施加正向偏壓，注入自由載流子，改變硅波導(dǎo)的有效折射率，從而實(shí)現(xiàn)快速相位調(diào)節(jié)。這類開關(guān)響應(yīng)速度快（可達(dá)納秒甚至皮秒級(jí)），非常適合用于動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)。

例如，論文中提到的基于PIN結(jié)構(gòu)的電光開關(guān)單元，測(cè)試顯示其串?dāng)_低于-29dB，插入損耗約1.1dB，具備良好的高速性能。

16x16 Benes網(wǎng)絡(luò)光開關(guān)陣列芯片結(jié)構(gòu)圖

三、光開關(guān)的主要分類

按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，光開關(guān)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(guān)因兼容CMOS工藝、易于大規(guī)模集成，近年來受到廣泛關(guān)注。

（二）按集成平臺(tái)分類

• 硅基光子集成平臺(tái)（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(chǎn)。

• III-V族材料平臺(tái)（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(tái)：超低損耗、寬透明窗口，適合長(zhǎng)距離傳輸。

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

32×32 Benes網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖解

（三）按網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類

大規(guī)模陣列光開關(guān)通常采用特定的互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以保證任意輸入均可無阻塞地連接到任意輸出。

常見結(jié)構(gòu)包括：

• Crossbar交叉矩陣：全連接，無阻塞性能最好，但復(fù)雜度高（N2個(gè)開關(guān)單元）

• Benes網(wǎng)絡(luò)：遞歸結(jié)構(gòu)，可重構(gòu)且嚴(yán)格無阻塞，所需開關(guān)單元少

• Spanke-Benes網(wǎng)絡(luò)：Benes的改進(jìn)版，進(jìn)一步降低插入損耗

• Dilated-Bene結(jié)構(gòu)：增加中間級(jí)提升靈活性

論文中重點(diǎn)研究的就是128端口Benes網(wǎng)絡(luò)熱光陣列開關(guān)，這是目前除MEMS外最大規(guī)模的硅基可重構(gòu)無阻塞網(wǎng)絡(luò)。

240×240 MEMS Crossbar網(wǎng)絡(luò)光開關(guān)實(shí)物圖

四、大規(guī)模陣列光開關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)

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

結(jié)合論文分析，主要有以下幾個(gè)方面：

1.插入損耗隨端口數(shù)增加而急劇上升

隨著陣列規(guī)模擴(kuò)大，光信號(hào)需經(jīng)過多個(gè)開關(guān)單元和交叉波導(dǎo)，每一步都會(huì)引入額外損耗。若不加以優(yōu)化，總損耗可能高達(dá)幾十dB，嚴(yán)重影響系統(tǒng)信噪比。

解決方案包括：

• 設(shè)計(jì)低損耗2×2耦合器（如MMI或多模干涉儀）

• 使用低串?dāng)_交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

• 引入半導(dǎo)體光放大器（SOA）進(jìn)行增益補(bǔ)償

論文中設(shè)計(jì)的2×2熱光開關(guān)單元插入損耗僅為0.25dB，在整個(gè)40nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)串?dāng)_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(gè)電學(xué)引腳（如本項(xiàng)目達(dá)1690個(gè)），如何實(shí)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(shè)計(jì)了硅轉(zhuǎn)接板，解決了高密度引腳扇出問題，并配合PCB驅(qū)動(dòng)電路模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)上千通道的精確控制。

3.偏振相關(guān)性問題

大多數(shù)硅波導(dǎo)對(duì)TE和TM模式的響應(yīng)不同，導(dǎo)致器件性能受偏振態(tài)影響。理想情況下應(yīng)實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)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(xué)團(tuán)隊(duì)利用鈮酸鋰與硅混合集成，實(shí)現(xiàn)了偏振無關(guān)的2×2光開關(guān)。

鈮酸鋰與硅混合集成偏振無關(guān)光開關(guān)結(jié)構(gòu)

五、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)比

下表總結(jié)了近年來全球范圍內(nèi)代表性的大規(guī)模光開關(guān)研究成果：

從中可以看出：

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

• IBM首次實(shí)現(xiàn)8×8單片集成光電驅(qū)動(dòng)

• 日本AIST的32×32熱光開關(guān)達(dá)到較低片上損耗（6.1dB）

• 本論文實(shí)現(xiàn)的128端口Benes網(wǎng)絡(luò)熱光開關(guān)，是當(dāng)時(shí)除MEMS外最大規(guī)模的硅基可重構(gòu)無阻塞陣列

這標(biāo)志著我國(guó)在硅基光子集成領(lǐng)域已具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

六、光開關(guān)的發(fā)展趨勢(shì)與未來

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

1.向更高集成度演進(jìn)

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(zhì)集成

單一材料難以兼顧所有性能指標(biāo)。未來的芯片或?qū)⑷诤瞎?、氮化硅、III-V族材料、鈮酸鋰等，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。

3.單片集成驅(qū)動(dòng)電路

將控制邏輯、驅(qū)動(dòng)電源、監(jiān)測(cè)單元等直接集成在同一芯片上，提升可靠性與響應(yīng)速度。

4.智能化控制與自動(dòng)化測(cè)試

開發(fā)配套的上位機(jī)程序與自動(dòng)校準(zhǔn)算法，提高調(diào)試效率與量產(chǎn)可行性。

七、光開關(guān)，正在重塑信息世界

從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)線，從理論走向應(yīng)用，光開關(guān)正逐步替代傳統(tǒng)的電交換設(shè)備，成為構(gòu)建綠色、高效、智能數(shù)據(jù)中心的核心力量。

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。

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（注：本文部分內(nèi)容由AI協(xié)助習(xí)作，僅供參考）

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