本文摘自開放數據中心委員會ODCC的“ODCC-2024-AI網絡光交換機技術報告”。

光交換機負責在光纖間建立和斷開連接，高性能的光交換能夠實現毫秒級或更快的切換速度，對于滿足數據中心動態流量需求至關重要。

根據實現技術的不同，光交換技術一般可分為 3D MEMS（Micro-Electro-Mechanical System ）技術、數字液晶 DLC（Digital Liquid Crystal）技術、直接光束偏轉 DLBS（Direct Light Beam Steering）技術。

光交換的主要性能指標包括：

• 切換速度：切換速度是光交換的重要性能指標，直接影響到數據中心網絡的動態響應能力。高性能的光交換應具備毫秒級的切換速度，以滿足高頻率的流量變化需求。

• 插入損耗：插入損耗是光信號通過光交換時的功率損耗，較低的插入損耗有助于提高信號質量和傳輸距離。

• 回波損耗：回波損耗是光信號在通過光交換時入射光功率反射光功率的比值，較高的回波損耗有助于減少信號反射和干擾。

• 耐用性和可靠性：光交換的耐用性和可靠性是確保數據中心網絡穩定運行的關鍵，高性能的光交換應具備較長的使用壽命和較低的故障率。

1. 3D MEMS 光交換

MEMS 光交換由輸入光纖準直器陣列（FAU: Fiber array unit）、輸入 MEMS 微鏡陣列，輸出 MEMS 微鏡陣列、輸出光纖準直器陣列及配套驅動、控制軟硬件構成。其中輸入輸出 MEMS 微鏡單元為二維雙軸反射型微鏡面陣，兩片 MEMS 微鏡陣列構成 N*N 的矩陣開關陣列。結構如下圖所示：

輸入光信號經過光纖陣列并以一定角度依次入射 MEMS 微鏡陣列對應微鏡單元，每個微鏡單元擁有獨立的驅動控制，通過施加不同的電信號實現所需的轉角；輸入 MEMS 微鏡陣列通過調整微鏡單元的轉角將入射信號偏轉到目的輸出微鏡陣列對應的微鏡單元，完成選路或交叉，輸出微鏡陣列負責將光信號偏轉，正入射到輸出光纖準直器陣列對應端口，實現最佳耦合輸出使得光交換插損最優。

MEMS 微鏡陣列由半導體工藝實現，MEMS 微鏡單元由反射鏡、驅動結構和電互聯組成，鏡面直徑約幾百微米，驅動結構驅動 MEMS反射鏡實現二維偏轉，從而實現光路偏轉功能；常見的驅動方式有磁電驅動、靜電梳齒驅動及熱電驅動等，磁電驅動采用洛倫茲工作原理，微鏡單元的線圈在電流通過時，磁場產生洛倫茲力驅動鏡面旋轉，驅動電壓較低，線性度較好，但需要磁鐵陣列，封裝相對復雜.

此外，由于驅動時線圈需要通電，且不同轉角對應的電流不同，容易產生發熱與溫漂問題；熱電驅動通過改變微鏡驅動臂的溫度，驅動臂不同材料熱膨脹溫度系數不同實現微鏡偏轉，驅動臂溫度較高容易形變產生應力，功耗較高、響應速度較慢、轉角精度較差；通常 MEMS 微鏡采用靜電驅動，在構成的垂直梳齒結構的固定梳齒和可動梳齒之間施加電壓，在交錯的梳齒之間靜電力作用下，可動梳齒發生位移，驅動微鏡旋轉。不同的偏置電壓使鏡面發生不同的偏轉角度，如下圖所示。

圖 MEMS 光交換：（a）微鏡陣列示意圖，（b）陣元組成與原理示意圖

2. 數字液晶技術 DLC 光交換

液晶是一種特性介于固態和液態之間的物質相態。液晶材料既具備液體的流動性，液晶分子的排列又具備晶體的長程有序性，形成一種兼有晶體和液體的部分性質的中間態。液晶分子在排列上的有序性和各向異性，使得液晶材料具備和晶體材料一樣的折射率各向異性、介電常數各向異性等物理特性。在液晶盒兩端施加電壓時，液晶分子會發生偏轉，導致液晶的雙折射系數發生變化，產生相位延遲，這一現象是液晶的電光效應。利用這一特性可以實現 LCLM (液晶光模塊)，在外部電場調制下入射光的偏振態經過液晶盒會發生旋轉。數字液晶光交換系統利用液晶的電光效應與晶體光楔的級聯相結合，能夠將 N 個端口的輸入光任意調度到 N 個端口進行輸出，完成 N × N 的液晶光開關的功能。數字液晶光交交換利用液晶的電光效應與晶體光楔的級聯產生光束偏轉，能夠將 N 個端口的輸入光任意交換到任意 N 個輸出端口，完成 N × N 的液晶光交換功能。

數字液晶光交換構成與關鍵部件功能包括：光纖準直器陣列 FAU（提供 N*N 端口信號光的輸入與輸出）、偏振處理模塊（對入射光進行 S 偏振與 P 偏振的分束與合束），LCLM 液晶光模塊陣列（LC 可調延遲器與雙折射晶體光楔的組合經過多層級聯而成，實現 N*N 信號光偏轉），如下圖 所示。

數字液晶光交換切換原理是：LC 可調延遲器基于電光響應特性對入射光的偏振態進行旋轉，不同偏振態的入射光經過雙折射晶體光楔后會產生不同的出射角度，從而實現光束偏轉，其中偏轉角度為固定的離散值。

其中，1 層 LC 可調延遲器與晶體光楔的組合可以實現 2 個離散角度的偏轉（2 態調制）。系統交換維度擴展到 M 維端口切換則需要共 L 層組合，滿足 2^L>M。例如，對于 256 端口，需要對應 8 層可調 LC 和晶體光楔的組合，可以是 x 方向切換 4 層+y 方向切換 4 層，完成二維的 256 端口切換。該技術對裝調工藝要求很高，預計最大可支持 512 端口。

3. 直接光束偏轉 DLBS 光交換

直接光束偏轉光交換是將光纖準直器直接固定在壓電陶瓷驅動器上，每個準直器尾部與壓電陶瓷相連，排列成二維準直器陣列，將兩個二維準直器陣列面對面放置，構成光開關矩陣，利用壓電陶瓷機電耦合效應，驅動準直器位移與角度傾斜，使兩陣列對應端口匹配對準，完成通道連接，實現光交換功能。

該方案中，光信號從輸入準直器陣列端口輸入，直接傳輸至輸出準直器耦合輸出，過程中無需經過其他光學系統反射或透射，光信號傳輸光程短，利于降低光信號傳輸及耦合損耗；而隨著通道數增加，交叉矩陣規模增大，對角端口等大角度交叉對準時，要求光纖準直器的轉角與位移增大，這對壓電陶瓷驅動的性能要求提高，且實現位移所需的空間體積增加，相應的增加了光信號傳輸距離，插損進一步增加，一定程度上制約了光交叉連接的規模光束直接偏轉技術的核心是固態驅動技術，利用壓電陶瓷機電耦合效應特性，將電能轉換成機械能來產生位移，直接驅動準直器或者透鏡的移動，以改變光束的傳輸方向，并實現對應準直器組件的直接耦合。DLBS 光交換原理如下圖所示。

4.光交換技術比較

下表總結了三種不同技術方案的技術對比情況：

綜上所述，光交換機實現了任意輸入 N 端口到輸出 N 端口的無阻賽交換，屬于端口交換，其優點是與信號波長、調制格式及速率無關，協議透明，具有極高的調度效率。

轉載自：通信百科

參考閱讀：