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隨著人工智能和云計算的快速發(fā)展，對高容量數(shù)據(jù)交換的需求持續(xù)增長。光交換憑借其寬帶寬和低延遲，正成為應對這一挑戰(zhàn)的最有前景的解決方案之一。

相對早期電交換，光交換的優(yōu)勢在于，沒有緩沖，透明，與比特率無關的低功耗，低延時，可擴展到非常大的端口數(shù)。   

據(jù)Lumentum估算，在10萬級GPU部署中，相較于InfiniBand或以太網(wǎng)方案，采用其OCS可使AI數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡整體功耗降低65%以上。市場研究機構Cignal AI預測，在AI與云網(wǎng)絡發(fā)展推動下，OCS市場規(guī)模將于2028年突破10億美元。   

現(xiàn)在光開關除了應用于電信領域，還應用于數(shù)據(jù)中心，兩者發(fā)展路徑和對光開關要求有所不同，例如：

1、電信：網(wǎng)絡交換節(jié)點~30個，流量相對穩(wěn)定，中心控制層，10ms延時

2、數(shù)據(jù)中心：網(wǎng)絡交換節(jié)點~5000個，突發(fā)模式，結合SDN的分布控制層，小于10us延時

在這幾年的人工智能驅動的計算機和數(shù)據(jù)中心（超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心）掀起新一輪人們研究光交換的浪潮。首先，人工智能光子學可以應對指數(shù)級（每年10倍）的產(chǎn)能增長，其低功效、光學可重構、光保護/修復特性，保持人工智能訓練和推理的高可用性，能夠提高人工訓練的利用率、功率效率、吞吐量和虛擬機優(yōu)化，實現(xiàn)流量工程和負載均衡，預測重構并進行Hitless重新配置，此外，對可預測的故障進行保護以及局部故障恢復。   

將光開關技術應用于人工智能領域的原因有：

1）通過扁平化互聯(lián)架構來克服數(shù)據(jù)中心電開關的可擴展性問題：光互連通過利用光并行和WDM大規(guī)模擴展，平滑互連拓撲，減小直徑，降低時延，降低功耗，根據(jù)工作負載重新配置無源互連。

2）光重構優(yōu)化互連拓撲到應用模式和提高可用性，避免擁塞和故障。

3）通過光恢復實現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡運行：使用LW Fabric（實線）的可重構系統(tǒng)替換壞，與靜態(tài)系統(tǒng)（虛線）相比，有效吞吐量更高。

4）電開關延遲大

由光開關單元組成的集成光開關結構拓撲示例如下所示，需要指出的是，快速CDR突發(fā)模式對于光分組交換、光突發(fā)交換或動態(tài)光電路交換是必不可少的，目前，學術界用的最多的是benes架構，因其具有最少光開關數(shù)、路徑、損耗及控制維度，尤其是具有RNB（可重構非阻塞）。

目前限制光開關大規(guī)模應用的因素有：

1）光交換機不提供安全特性，前向糾錯以及序列化

2）光插損必須<< 3db，這必須商用收發(fā)器（有源光纜和CPO）需要達到3dB的功率余量標準

3）沒有可行的光學緩沖方法：例如突發(fā)模式檢測或在中斷前與AI/ML進行Hitless重新配置

4）中央控制平面只有在可以擴展到1000個節(jié)點時才有效。分布式控制平面或混合方法可以更好地擴展。

總結目前實現(xiàn)的各類光開關性能比較，商用光開關都是基于MEMS，學術界研究最多是基于硅光方案，但缺點是串擾大、插損大、端口數(shù)（不過這幾年也逐漸越來越多）。

下面來簡單看看幾種光開關技術：

1、基于MEMS技術：

Lucent基于MEMS技術發(fā)布的Edge640，其主要特點是640全雙工接口，由2個320x320光開關核組成，偏振不敏感，50ms切換時間，<3 db損耗，-60db串擾

谷歌也是基于MEMS技術。

采用MEMS技術的優(yōu)點在于可擴展，端口數(shù)多，彈性架構，分布式控制。

例如，通過陣列與16端口切片創(chuàng)建完全連接的576x576 OCS，在所有路徑上測量具有1.3dB中值損耗，最大3.2dB。但準直光學元件增加工作距離使得光學矩陣尺寸更大。

在這次OFC上，Lumentum基于成熟MEMS技術發(fā)布其R300 OCS 300x300端口光路開關（OCS）樣品，并已向多家超大規(guī)模（Hyperscale）客戶提供，并計劃于2025年下半年正式上市。這款突破性產(chǎn)品及方案旨在提升人工智能集群、數(shù)據(jù)中心內部網(wǎng)絡的可擴展性、性能與能效。其特點是，顯著節(jié)能、超低時延（消除光電光轉換，時延較以太網(wǎng)交換降低5-10倍）、超寬波段（支持O/C/L波段）、卓越低插入/回波損耗、極低偏振相關損耗（PDL）與偏振模色散（PMD）、超強穩(wěn)定性和高可靠性。

2、液晶光開關：

代表性的商用產(chǎn)品是WSS，其最大特點是增加波長維度，通過波束控制實現(xiàn)多路光纖分配，每個輸入的波長在可用的基礎上被解復用到單個輸出端口。目前典型插損是5dB，切換速度<100ms，ER>30dB，偏振不敏感，缺點是成本高。

3、硅光技術——MEMS

    在硅光平臺上制作MEMS結構實現(xiàn)波導直通和交插，主要特點是MEMS驅動開關在關閉狀態(tài)下幾乎為零損耗，可擴展到高端口數(shù)，且沒有級聯(lián)損耗，具有高消光比（> 60db）以及寬帶（> 120nm）。

最具代表性的是UC Berkeley的 240x240 SiPhotonic OCS，具有高集成度，片上集成170,000個單元，每個端口的片上波導損耗僅0.04 dB，高消光比> 60dB，切換時間僅400 ns。

4、硅光技術——MZIs   

這個是學術界研究最多的結構，主要特點是高集成度，結構簡單。隨著一代代發(fā)展，目前典型損耗>3dB，串擾<-25dB，切換時間可達到ns級，功耗僅x00mW，尺寸僅xxmm^2。具體進展下篇介紹。

5、集成光學——InP SOA

    最具代表性的是 Eindhoven's AP 16x16 InGaAsP/InP Photonic Switch Chip，結合空間交換和波長路由選擇，可改善光端口連通性，其最主要好處是，通過片上集成SOA可以補充光插損。

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