基于MEMS微镜的AI数据中心光路交换技术优势

来源：Lumentum

基于MEMS微镜的光路交换技术优势

随着人工智能（AI）网络规模持续扩大，数据中心内部光互连层所面临的需求正在发生根本性变化。现代AI集群不仅需要极高的带宽，还需要具备动态调整网络连接的能力，以适应工作负载、流量模式及集群架构的不断演变。

光路交换机（OCS）正成为一项关键技术，助力构建低功耗、低网络复杂性且可重构的大规模AI网络架构。Lumentum光路交换平台的核心器件是MEMS微镜——这是一项在光通信领域拥有数十年成熟部署经验的技术。

尽管构建光路交换机可以采用多种技术路线，但是基于MEMS微镜的光路交换机兼具低光损耗、协议透明性、可扩展性及长期可靠性等独特优势，使其成为不断演进的AI基础设施的理想选择。

什么是MEMS？

据麦姆斯咨询介绍，MEMS英文全称：Micro-Electro-Mechanical Systems，中文名称：微机电系统，它是指以微型化、系统化的理论为指导，通过半导体制造等微纳加工手段，形成特征尺度为微纳米量级的系统装置。相对于先进的集成电路（IC）制造工艺，MEMS制造工艺不单纯追求线宽而注重特色化，即利用微纳结构或/和敏感材料实现多种传感和执行功能。

在Lumentum的光路交换机产品中，MEMS技术被用于构建一种可倾斜运动的微型反射镜阵列——MEMS微镜阵列，其能够对光束进行高精度偏转和引导，实现不同光纤之间光信号的灵活路由和光路连接，从而构成高性能的光路交换系统。

Lumentum光路交换机中的MEMS微镜单元仿真图

光刻和刻蚀工艺被用于制造微机械结构以及控制镜面运动的静电驱动执行器。由于MEMS微镜采用晶圆级制造技术构建，因此能够实现极高的精度、可重复性和可扩展性。

经光通信网络长期验证的成熟技术

Lumentum于20世纪90年代末开始开发基于MEMS微镜的光开关；自21世纪00年代中期以来，Lumentum基于MEMS微镜的1xN波长选择开关（WSS）已广泛部署于电信可重构光分插复用（ROADM）网络中。迄今为止，Lumentum已向电信及超大规模城域和长途光网络交付了超过15万个基于MEMS微镜的WSS模块，累计实现了超过一万亿小时的MEMS微镜现场运行时间。

在波长选择开关（WSS）市场保持二十多年的领先地位后，Lumentum将其在高可靠性MEMS微镜设计和可扩展光组件制造方面的丰富经验，应用于面向AI数据中心的基于MEMS微镜的光路交换机产品中。

为何MEMS微镜对光路交换技术至关重要？

MEMS微镜能够实现高性能光路交换，其典型插入损耗（Insertion Loss，IL）低于1.5 dB（无需光放大器），并支持宽带工作，可在同一交换平台上兼容O波段、C波段和L波段光信号传输。Lumentum对MEMS微镜的精心设计，使其能够承受符合数据中心行业标准的冲击与振动环境，保证长期稳定运行。

Lumentum基于MEMS微镜的光路交换机产品对光信号几乎不会引入额外劣化，并具备较高的光回波损耗 (ORL)、优异的端口隔离度以及极低的偏振相关损耗（PDL，典型值低于0.1 dB）。这种光透明性（Optical Transparency）是基于MEMS微镜的光路交换架构的关键优势之一。

由于基于MEMS微镜的光路交换技术本质上与通信协议和调制格式无关（Protocol- and Modulation-Format Agnostic），同一套MEMS光路交换平台无需修改交换矩阵即可兼容当前及未来各种光接口技术。Lumentum的MEMS光路交换机能够支持O波段DR和FR光模块、未来的光电共封装（CPO）及Coherent Lite架构（适用于纵向扩展和横向扩展的AI网络），同时也支持C波段和L波段相干ZR/ZR+互连（适用于跨集群互连及数据中心互连/DCI应用）。

随着光接口技术的不断演进，基于MEMS微镜的光路交换技术提供了一种稳定的光基础设施层，能够支持未来几代的数据速率、波分复用方案、调制格式以及双向传输架构。

MEMS微镜技术还能高效扩展至大端口数（高基数）的光路交换机。一个N×N MEMS光路交换机需要2N个MEMS微镜（每个输入和输出光纤各对应一个），其规模随交换机端口数呈线性增长。相比之下，在典型的无阻塞硅光子交换架构中，所需的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）交换元件数量大致随N²增长，这使得实现超大端口数变得日益复杂。

基于MEMS微镜的光路交换原理

Lumentum光路交换机内部的MEMS芯片集成了由数百个亚毫米级微镜组成的阵列，每个微镜均通过扭转铰链（Torsional Hinge）悬挂支撑。施加在每个微镜附近电极上的控制电压会产生静电驱动力，从而实现对镜面在两个轴向上精确的角度倾斜运动控制。

来自每根光纤的光束经微透镜阵列准直后，被引导至相应的MEMS微镜。建立两根光纤之间的连接需要两个MEMS微镜协同动作：输入端MEMS微镜将光束导向选定的输出端MEMS微镜，而输出端MEMS微镜则将光束引导进入目标光纤。这种架构实现了任意输入端口与输出端口之间的严格无阻塞光连接。

基于MEMS微镜的光路交换技术

Lumentum开发的MEMS微镜扭转铰链结构采用单晶硅制成，实现了高度可重复的驱动性能，并具备极低的迟滞效应和极强的抗磨损能力；测试表明，MEMS微镜运行寿命可达数亿次切换循环。

Lumentum的MEMS微镜扭转铰链结构SEM图像

Lumentum通过对MEMS微镜及光学组件的精心协同设计，使微镜在各种工作环境及整个产品寿命周期内均能保持极高的位置稳定性，因此无需采用复杂的主动反馈控制系统即可实现高精度光束操控。

面向AI基础设施的可扩展光路交换技术

Lumentum基于MEMS微镜的光路交换机产品，依托于公司数十年来为大规模光通信网络设计和制造高可靠性光路交换技术的丰富经验。低光损耗、协议透明、可扩展的端口规模以及久经考验的可靠性，使MEMS微镜技术特别契合AI基础设施不断变化的需求。

Lumentum的300x300 MEMS光路交换机

随着AI网络规模的持续扩大和光接口技术的不断演进，基于MEMS微镜的光路交换技术为下一代AI数据中心架构提供了一种灵活且面向未来的光互连层。