用MEMS 光开关实现高性能光互连网络

引言；随着云计算和人工智能的飞速发展，数据中心和高性能计算系统对光互连网络在传输速率，功耗及可扩展性等方面都有了更高的要求。然而以往传统的光互连方案存在端口密度和动态配置能力的瓶颈问题，也就很难适应大规模数据交互的要求。基于此，MEMS 光开关具有微米级机电结构所导致的低插入损耗，高切换速度和灵活组网等特点，是突破光互连技术发展瓶颈的关键所在。

一、适配性的优化设计

在高效能的光互连网络环境下，MEMS 光开关的适配性优化设计构成了实现高效光信号传输的基础要素，适配性优化需要在结构设计、材料选择、性能参数匹配 3 个层次上进行，从结构设计的视角来看，MEMS 光开关的微机械结构需要与光互连网络的拓扑结构相适应[1]。例如，在星型拓扑网络中，需要优化光开关的端口布局和光路方向，以减少信号传输的损耗；但对网状拓扑网络需要加强光开关冗余设计及故障容错能力。在选择材料时，考虑到光互连网络对低插入损耗和高可靠性的需求，MEMS 光开关的镜面材料必须具有高反射率和耐磨性，一般选用金属材料如金银或多层介质膜，而机械结构如悬臂梁部分则需要使用高强度低应力硅基材料，才能确保长时间稳定工作，在性能参数匹配上，需要根据光互连网络传输速率、波长范围以及功率需求等因素来优化MEMS 光开关工作参数，如对400G 以上高速光互连网络而言，光开关切换速度要求在微秒级乃至纳秒级才能满足突发数据传输需要；就波长兼容性而言，需要保证光开关能够实现 C 波段，L 波段和其他常见通信波段的低损耗传输。另外，适配性优化需要综合考虑环境因素，并通过密封封装结构设计及温度补偿机制来增强光开关高温高湿等苛刻环境中的运行稳定性。经过系统性适配性优化设计后，MEMS 光开关可以较好地集成到高性能光互连网络中，从而也就可以有效的为高速稳定光信号的传输提供了保证。

二、动态的光路切换策略

动态光路切换策略，是增强MEMS 光开关应用于高性能光互连网络灵活性与效率的关键技术，该策略根据网络流量监测及负载均衡需求实现了光信号路径实时动态调节[2]。通过在网络节点上部署的光性能监测（OPM）设备，实时收集了各个链路的光功率和误码率等关键参数。然后，结合软件定义的网络（SDN）控制器，对整个网络的流量进行了深入分析，并据此构建了一个网络负载状态的模型。在链路光功率小于 1mW 等设定阈值的情况下系统判断链路存在异常。如果误码率大于 1,说明信号的传输质量变坏，还需要光路切换。SDN 控制器使用所采集的参数并通过预设算法来对网络负载状况进行评估。例如，当某一链路的流量利用率达到 80% ，且持续 5 分钟以上，即认为该链路负载过高，该控制器根据负载评估的结果进行动态光路切换策略的选择。在发现某条链路发生拥塞或者失效后，优先选择备用链路中光功率比较稳定且误码率较小的链路作为切换对象。如果主链路 A 的光功率突然下降，而备用链路 B 的光功率稳定在 2mW ,误码率保持在 0.1% ，那么应迅速将光信号切换到链路 B 。在高清视频传输等某些实时性要求非常高的场景中，需要将切换时间限制在毫秒量级，以保证业务不卡顿和不中断。同时，为防止频繁切换对网络造成冲击，设置切换冷却时间为30 秒，期间不再对同一链路进行重复切换判断，充分保证高性能光互连网络稳定、高效地工作。

三、阵列协同集成技术

阵列协同集成技术对于利用MEMS 光开关规模化的优势，搭建规模化高性能光互连网络具有重要意义，这一技术涉及到光开关阵列物理集成与功能协同两大领域。物理集成中需要解决高密度封装与散热的问题。尤其是利用三维立体封装技术实现多个MEMS光开关芯片的堆叠集成可以显著增加端口密度；同时将微通道散热技术引入封装结构，利用冷却液的循环将光开关运行过程中的热量带走，从而确保阵列稳定工作。另外，光开关阵列与光纤阵列之间的高精度对齐是物理集成过程中的一大挑战。通常，会使用微机电定位系统（MEMS-based alignment system）来实现亚微米级别的对准精度，以减少耦合损耗，就功能协同而言，需要设计一个统一控制协议与同步机制来协同光开关阵列。利用时分复用（TDM）和波分复用（WDM）这两种技术手段，对光开关阵列的端口实施集中调度，从而规避信号之间的冲突。以数据中心内光互连网络建设为例，多个MEMS 光开关阵列可以形成一个交换矩阵，并由中央控制单元实时监测并协调各个阵列开关状态，从而实现任一端口光信号互通。同时为了提高系统可靠性需要设计冗余备份机制以在某一个光开关或者阵列发生故障时能自动转换至备用路径以确保网络正常工作。阵列协同集成技术所取得的突破性进展使得MEMS 光开关可以由单个器件应用向大规模网络部署拓展，从而为构筑高性能光互连网络提供坚实技术支撑。此外，随着光互连网络规模持续扩大，阵列协同集成技术还需攻克多阵列动态协同、跨平台兼容等难题。基于此，在未来可通过研发智能控制算法与柔性封装材料，进一步提升MEMS 光开关阵列的集成密度与协同效率，也就能够有效的推动光互连网络向更高性能、更低功耗方向迈进。

图1:阵列协同集成