本文摘自开放数据中心委员会ODCC的“ODCC-2024-AI网络光交换机技术报告”。
光交换机负责在光纤间建立和断开连接，高性能的光交换能够实现毫秒级或更快的切换速度，对于满足数据中心动态流量需求至关重要。
根据实现技术的不同，光交换技术一般可分为 3D MEMS（Micro-Electro-Mechanical System ）技术、数字液晶 DLC（Digital Liquid Crystal）技术、直接光束偏转 DLBS（Direct Light Beam Steering）技术。- 切换速度：切换速度是光交换的重要性能指标，直接影响到数据中心网络的动态响应能力。高性能的光交换应具备毫秒级的切换速度，以满足高频率的流量变化需求。
- 插入损耗：插入损耗是光信号通过光交换时的功率损耗，较低的插入损耗有助于提高信号质量和传输距离。
- 回波损耗：回波损耗是光信号在通过光交换时入射光功率反射光功率的比值，较高的回波损耗有助于减少信号反射和干扰。
- 耐用性和可靠性：光交换的耐用性和可靠性是确保数据中心网络稳定运行的关键，高性能的光交换应具备较长的使用寿命和较低的故障率。
MEMS 光交换由输入光纤准直器阵列（FAU: Fiber array unit）、输入 MEMS 微镜阵列，输出 MEMS 微镜阵列、输出光纤准直器阵列及配套驱动、控制软硬件构成。其中输入输出 MEMS 微镜单元为二维双轴反射型微镜面阵，两片 MEMS 微镜阵列构成 N*N 的矩阵开关阵列。结构如下图所示：输入光信号经过光纤阵列并以一定角度依次入射 MEMS 微镜阵列对应微镜单元，每个微镜单元拥有独立的驱动控制，通过施加不同的电信号实现所需的转角；输入 MEMS 微镜阵列通过调整微镜单元的转角将入射信号偏转到目的输出微镜阵列对应的微镜单元，完成选路或交叉，输出微镜阵列负责将光信号偏转，正入射到输出光纤准直器阵列对应端口，实现最佳耦合输出使得光交换插损最优。MEMS 微镜阵列由半导体工艺实现，MEMS 微镜单元由反射镜、驱动结构和电互联组成，镜面直径约几百微米，驱动结构驱动 MEMS反射镜实现二维偏转，从而实现光路偏转功能；常见的驱动方式有磁电驱动、静电梳齿驱动及热电驱动等，磁电驱动采用洛伦兹工作原理，微镜单元的线圈在电流通过时，磁场产生洛伦兹力驱动镜面旋转，驱动电压较低，线性度较好，但需要磁铁阵列，封装相对复杂.此外，由于驱动时线圈需要通电，且不同转角对应的电流不同，容易产生发热与温漂问题；热电驱动通过改变微镜驱动臂的温度，驱动臂不同材料热膨胀温度系数不同实现微镜偏转，驱动臂温度较高容易形变产生应力，功耗较高、响应速度较慢、转角精度较差；通常 MEMS 微镜采用静电驱动，在构成的垂直梳齿结构的固定梳齿和可动梳齿之间施加电压，在交错的梳齿之间静电力作用下，可动梳齿发生位移，驱动微镜旋转。不同的偏置电压使镜面发生不同的偏转角度，如下图所示。图 MEMS 光交换：（a）微镜阵列示意图，（b）阵元组成与原理示意图液晶是一种特性介于固态和液态之间的物质相态。液晶材料既具备液体的流动性，液晶分子的排列又具备晶体的长程有序性，形成一种兼有晶体和液体的部分性质的中间态。液晶分子在排列上的有序性和各向异性，使得液晶材料具备和晶体材料一样的折射率各向异性、介电常数各向异性等物理特性。在液晶盒两端施加电压时，液晶分子会发生偏转，导致液晶的双折射系数发生变化，产生相位延迟，这一现象是液晶的电光效应。利用这一特性可以实现 LCLM (液晶光模块)，在外部电场调制下入射光的偏振态经过液晶盒会发生旋转。数字液晶光交换系统利用液晶的电光效应与晶体光楔的级联相结合，能够将 N 个端口的输入光任意调度到 N 个端口进行输出，完成 N × N 的液晶光开关的功能。数字液晶光交交换利用液晶的电光效应与晶体光楔的级联产生光束偏转，能够将 N 个端口的输入光任意交换到任意 N 个输出端口，完成 N × N 的液晶光交换功能。
数字液晶光交换构成与关键部件功能包括：光纤准直器阵列 FAU（提供 N*N 端口信号光的输入与输出）、偏振处理模块（对入射光进行 S 偏振与 P 偏振的分束与合束），LCLM 液晶光模块阵列（LC 可调延迟器与双折射晶体光楔的组合经过多层级联而成，实现 N*N 信号光偏转），如下图 所示。数字液晶光交换切换原理是：LC 可调延迟器基于电光响应特性对入射光的偏振态进行旋转，不同偏振态的入射光经过双折射晶体光楔后会产生不同的出射角度，从而实现光束偏转，其中偏转角度为固定的离散值。其中，1 层 LC 可调延迟器与晶体光楔的组合可以实现 2 个离散角度的偏转（2 态调制）。系统交换维度扩展到 M 维端口切换则需要共 L 层组合，满足 2^L>M。例如，对于 256 端口，需要对应 8 层可调 LC 和晶体光楔的组合，可以是 x 方向切换 4 层+y 方向切换 4 层，完成二维的 256 端口切换。该技术对装调工艺要求很高，预计最大可支持 512 端口。
直接光束偏转光交换是将光纤准直器直接固定在压电陶瓷驱动器上，每个准直器尾部与压电陶瓷相连，排列成二维准直器阵列，将两个二维准直器阵列面对面放置，构成光开关矩阵，利用压电陶瓷机电耦合效应，驱动准直器位移与角度倾斜，使两阵列对应端口匹配对准，完成通道连接，实现光交换功能。该方案中，光信号从输入准直器阵列端口输入，直接传输至输出准直器耦合输出，过程中无需经过其他光学系统反射或透射，光信号传输光程短，利于降低光信号传输及耦合损耗；而随着通道数增加，交叉矩阵规模增大，对角端口等大角度交叉对准时，要求光纤准直器的转角与位移增大，这对压电陶瓷驱动的性能要求提高，且实现位移所需的空间体积增加，相应的增加了光信号传输距离，插损进一步增加，一定程度上制约了光交叉连接的规模光束直接偏转技术的核心是固态驱动技术，利用压电陶瓷机电耦合效应特性，将电能转换成机械能来产生位移，直接驱动准直器或者透镜的移动，以改变光束的传输方向，并实现对应准直器组件的直接耦合。DLBS 光交换原理如下图所示。综上所述，光交换机实现了任意输入 N 端口到输出 N 端口的无阻赛交换，属于端口交换，其优点是与信号波长、调制格式及速率无关，协议透明，具有极高的调度效率。
