Google: What's Next for Optical Switching?

在大规模数据中心网络与机器学习超算的核心架构中，交换机承担着信息从源到目的地的关键传输使命。当前主流的大型数据网络多基于电分组交换机（EPS）与固定Clos拓扑构建，虽能支持任意通信模式，但在成本、延迟和可重构性等核心指标上存在难以突破的扩展局限。正是这一痛点，推动了光交换（OCS）的研发与应用——通过动态调整网络拓扑匹配通信需求，OCS已成为高性能、高性价比、高可重构性网络的核心支撑，而其未来技术演进更将深刻影响下一代计算与网络系统的发展格局。

在iedm 2025会议上，Google团队发表了题目为What's Next for Optical Switching?的论文，聚焦数据中心网络与机器学习超算场景，深入探讨了未来光交换（OCS）的器件技术发展。论文系统分析了两类关键OCS技术：商用3D自由空间交换（含MEMS、压电、液晶等技术路径，核心聚焦大端口数与低损耗）与研发阶段的2D平面交换机（涵盖硅光子学、异构集成、SiP MEMS、波长切换等方案，追求高速切换与低驱动电压），详细阐述了各类技术的端口数、切换时间、插入损耗、驱动电压等核心性能指标及面临的挑战。同时指出，OCS的应用依赖集中式控制平面开发，随着应用场景拓展，各类研发器件技术有望融入下一代计算与网络系统，为相关领域提供更高效的连接解决方案。

一、光交换技术的核心逻辑：EPS与OCS的本质差异

要理解光交换的价值，首先需明确其与传统电交换的核心区别。数字电分组交换机的工作模式是将数据包在共享内存中排队，基于数据包头部信息做出本地路由决策，最终转发至输出端口。一条端到端连接需经过多跳交换机，逐包路由的特性导致同一源目地址的数据包可能面临不同延迟，难以满足同步机器学习等对延迟一致性要求极高的工作负载。

光交换机则完全不同，它在输入端口与输出端口之间建立端到端的光路或电路，数据包全程保持在光域传输，路由依据预先设定的路径而非实时读取包头信息。这一特性带来两大核心优势：一是所有数据包沿同一光路传输，延迟高度一致，完美适配同步机器学习场景；二是多数OCS具备速率无关性，可兼容多代不同数据速率的光收发器，显著提升设备复用价值。

值得注意的是，OCS的简化特性依赖集中式控制——对于大规模OCS部署而言，控制平面的开发难度甚至可能超过OCS硬件本身，这也是其商业化过程中必须攻克的关键环节。

二、商用与研发：光交换技术的两大阵营与核心指标

光交换技术的发展呈现清晰的两大阵营：基于3D自由空间的商用成熟技术，以及基于2D平面的研发创新技术。两类技术的核心性能差异体现在端口数、切换时间、插入损耗和驱动电压四大关键指标，这些参数直接决定了系统最终的性能与可靠性。

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（一）3D自由空间：商用OCS的成熟技术路径

现有商用OCS均基于定制硬件与控制方案，无单一技术能在所有指标上适配全部应用场景，当前设计核心聚焦于大端口数、低插入损耗与低回波损耗。主流技术包括三类：

1. MEMS基光开关：采用深反应离子刻蚀工艺制造大直径、高反射率的平面微镜，每个微镜周围配置四个梳状驱动器，通过高压信号控制镜体绕X轴和Y轴旋转。两组此类器件即可构建从任意输入端口到输出端口的3D光路，在大规模数据中心网络中具备显著成本优势，同时能提升TPU超算的可用性与性能。该方案的厂家包括Calient，Lumentum，DiCon Fiberoptics等，其核心性能指标为：端口数可达384，切换时间毫秒级，插入损耗小于3dB，驱动电压低于200V。

2. 压电驱动光开关：该方案以Polatis为代表，在保持低插入损耗（小于3dB）的同时，将驱动电压降至100V以下，端口数提升至576，切换时间仍为毫秒级，是对电压控制要求更苛刻场景的优选方案。

3. 液晶基光开关：Coherent为代表，通过液晶像素阵列数字化控制光束传播方向，采用折叠级联的N个二进制级可构建2^N端口的交换机。其端口数覆盖64-512范围，插入损耗小于3dB，驱动电压仅需10V以下，在低电压场景中具备突出优势。

（二）2D平面：下一代OCS的研发突破方向

2D平面光开关多基于单向N波导的交叉矩阵结构，在N²个波导交叉点配置二进制开关器件控制光的传播方向。多数研发技术基于硅光子学（SiP），旨在兼容标准CMOS工艺，追求更低的单端口成本、更快的切换速度、更便捷的电集成以及更高的可靠性。当前核心研发路径包括四类：

1. 干涉型硅光子学开关：基于干涉器件实现切换，主要分为马赫-曾德尔干涉仪（通过单次干涉生成切换状态）和微环谐振器（通过环内多次干涉生成切换状态）。驱动机制依赖改变折射率产生相长或相消干涉，常见方式包括热调谐和电光效应——热调谐速度较慢（微秒级，相较于电光效应的纳秒级），且需避免器件间热串扰；电光效应的折射率变化与波长相关，会影响器件可用带宽。

AIST等团队报道的这类开关的核心性能为：端口数32，切换时间覆盖纳秒至微秒级，插入损耗5-10dB，驱动电压不超过5V。当前面临的核心挑战包括降低整体损耗、实现偏振分集设计，以及应对端口数增加带来的串扰上升问题。

2. 异质集成光开关：针对光子量子计算等新兴场景需求——需满足切换速度决定计算整体速度、低损耗与低串扰的严苛要求——通过将强电光效应薄膜如BTO与Si晶圆集成，实现高速、低驱动电压的光开关。部分基于微转印的异构集成工艺也在研发中。PsiQuantum已验证性能为：端口数2（已宣布64端口方案），切换时间纳秒级，最佳器件插入损耗仅0.13dB，2mm长2×2开关的驱动电压为3.1V。此类技术同样面临干涉型器件的共性挑战，且需攻克实用化异构集成工艺难题。

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3. SiP MEMS光开关：将MEMS技术与SiP结合，输入输出光纤阵列（FAU）连接至波导图案化的2D交叉bar，每个波导交叉点配置MEMS驱动耦合器控制光的传播方向，MEMS光子集成电路（PIC）与控制CMOS芯片相连。这项技术以nEye公司为代表，相较于自由空间MEMS开关，二进制MEMS耦合器的切换速度提升1000倍，已演示的端口数达240，切换时间为微秒级，插入损耗小于9dB，驱动电压低于50V。当前主要挑战是解决2N光纤-波导连接器的低损耗封装问题，这也是多数2D硅光子学开关的共性难题。

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4. 波长切换光开关：结合可调谐激光器、无源阵列波导器件（AWG）和可调谐滤波器实现切换。S. J. B. Yoo等报道的器件核心性能为：端口数10，切换时间纳秒级，插入损耗小于6dB，无需驱动电压。但受限于可调谐激光器的高成本、高功耗，以及无源光组件的高损耗和固定波长带特性，这类开关的端口数和单端口带宽受到明显限制。

三、结语：光交换技术的未来落地展望

随着光交换技术的商业化落地，下一代光开关的器件技术研发已进入活跃期。从数据中心网络到机器学习超算，再到光子量子计算，光交换的应用场景正不断拓展。尽管2D平面光开关仍面临损耗、封装、串扰等多重挑战，但硅光子学、异构集成等技术路径展现出的性能潜力，有望突破现有3D自由空间开关的局限。

未来，随着研发技术逐步攻克实用化难题，这些创新器件将大概率融入下一代生产级计算与网络系统，为大规模数据传输、高性能计算和量子计算等领域提供更高效、更灵活的连接解决方案。光交换技术的演进，正持续为数字基础设施的升级注入核心动力。