光子集成OCS技术：从单材料平台到异质集成平台

剑桥大学的Richard Penty教授在OCP EMEA 2025上做了题目为Photonic Integrated Switch Fabrics：from homogeneous integration to heterogeneous integration的报告，介绍了多年来项目组所研发的多种光子集成光开关技术及其在AI数据中心中的潜在应用及未来演进。 一、光开关技术在AI数据中心的应用背景

演讲中指出，历经20年研发的光开关技术即将在AI数据中心场景中实现商业化落地。AI领域的训练、推理、数据挖掘等应用对数据中心的网络拓扑提出动态重构需求——不同应用的流量模式差异显著，需通过灵活的光交换技术实现高层次带宽调度。他所在的团队正与英伟达合作，将自研光开关嵌入其网络架构，相关成果即将在ECOC会议上发表。 二、磷化铟（InP）光开关的技术迭代 1. 全有源开关的初期探索

团队最早的集成开关（15年前发表）采用6mm×6mm磷化铟芯片，基于4×4广播选择架构，通过波导全内反射实现紧凑设计，理论上无损耗，但每路径功耗高达1瓦，10 Gbps速率下单位比特能耗达100皮焦，实用性受限。 2. 有源-无源混合架构的优化

在欧盟项目中开发的混合开关，保留磷化铟基底，将波导设计为无源结构（宽禁带材料提升透光性），仅光放大器触点为有源元件。该设计实现40dB通断比，支持弯曲、交叉等复杂平面结构，但广播/选择机制导致输入/输出端有过多损耗，放大需求引发噪声累积，限制端口扩展。 3. 马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的突破

转向MZI架构后，通过2×2光路由替代分光阻断，理论损耗降为零。结合半导体光放大器（SOA），首次实现40dB串扰抑制（6-7年前成果），输入功率动态范围显著提升。理论上通过八级级联可构建256×256规模开关，但磷化铟工艺在器件紧凑性和技术成熟度上不及硅光子学。 三、硅光子学（SiPh）的技术特性与挑战

硅光子学凭借高折射率差实现器件小型化，支持12英寸晶圆工艺，成熟度与 scalability 优势显著，但缺乏增益能力（多数开关存在固有损耗）。基于热光效应的MZI开关虽实现微秒级切换，通过双MZI级联达成40dB串扰抑制（每级20dB），但AI场景对纳秒级动态重构的需求推动团队开发电光效应开关——利用CMOS电压调制折射率，理论切换时间5-10ns，已验证5ns性能（未发表）。

四、微环谐振器与多层架构创新 1. 三维波导网络的突破

8×8微环谐振器开关采用三层波导设计：硅层负责开关操作，两层氮化硅层分别实现横向与纵向传输，通过垂直耦合器避免光路交叉损耗。该架构将串扰抑制维持在40dB，光通带72GHz，通过微环相位调制实现8波长切换，在相同面积内构建64×64空间-波长混合开关，单通道消光比30dB。

2. 扩展交叉bar与异质集成

基于微环的扩展交叉bar架构进一步压缩体积，支持波长-空间联合调制。当前器件已应用于欧洲无线接入网络动态切换项目及英伟达数据中心。针对硅光子学的损耗问题，团队在INSPIRE和PUNCH项目中探索微转移打印技术，将InP光放大器与硅光子芯片异质集成于同一衬底（2.5D集成），通过倒装芯片技术实现光电器件共封装。

五、技术挑战与未来方向

尽管光子集成技术在损耗、信噪比和扩展性上持续进步，异质集成的最优路径仍待探索——InP的增益能力与硅光子学的紧凑性如何高效结合尚无定论。ns级光开关的应用场景集中于动态数据包级切换，其重构时间占比仅为数据传输时间的百分之几，而多数场景仍依赖热光开关的静态路径分配。未来，光交换技术将在AI数据中心的弹性拓扑需求中扮演核心角色，推动光电融合架构向低功耗、高密度方向演进。 问答环节中，针对纳秒级开关的应用价值，Penty教授强调其适用于需频繁重构路径的高动态场景，而多数固定拓扑需求可通过微秒级开关满足，技术选型需匹配实际流量模式。