SOA赋能片上OCS

-整理自世界光子大会会议报告

导语

AI大模型、超算集群爆发式扩容，传统MEMS机械式OCS毫秒级切换、机械切换且损耗痛点凸显；硅光MZI/MRR无源开关又面临链路插损累积、信号衰减难题。

半导体光放大器（SOA）具有高速切换、无损耗、全固态等优良光特性，是未来片上集成OCS的核心单元。天津见合八方作为全栈国产SOA供应商，推出适配片上光交叉的系列自研芯片与混合集成方案，为智算中心全光互联提供国产化完整解决方案。

一、现有OCS技术各有短板

当下主流三大OCS技术路线，均存在难以根治的产业瓶颈：

1. MEMS微镜OCS（当前商用主流）

依靠微机械镜面偏转切换光路，端口规模大、插损偏低，但毫秒级慢速切换，无法匹配AI突发流量调度；机械结构存在磨损、抗震差、寿命受限，高频调度场景稳定性不足；需要空间光学耦合，而无法实现片上集成，难以满足未来光互连片上高密度集成需求。

2. LCoS液晶OCS

无机械损耗，但切换速度行业最慢，偏振控制刚性成本高，不适合低时延算力集群。

3. 硅光无源片上OCS（MZI/MRR）

全固态、纳秒级切换、芯片级高度集成，但无源波导存在固有插入损耗，多级矩阵叠加后信号大幅衰减，必须额外搭配光放大器件，系统复杂度与成本抬升。

结合SOA能完美化解上述矛盾：兼具高速光开关特性与光增益补偿能力，单器件同时完成光路通断、损耗补偿两大功能，是下一代片上OCS最优增益型开关单元。

二、SOA=光增益+也是极速光切换

1. 工作原理

SOA是应变量子阱PN结有源光器件，正向注入电流时触发受激辐射实现光放大；零偏置/负偏置下呈现强吸收，阻断光路传输，天然具备电控通断双重属性。

2. 光开关特性

SOA具有优异的特性适配OCS场景：

✅高速切换：切换速度＜1ns，远超MEMS千倍，适配AI动态拓扑重构

✅高增益：光增益最高40dB，补偿波导和耦合损耗，无需外置光放大器

✅高消光比：合适的驱动和配置，消光比最高可达70dB

✅全波段：覆盖700–2000nm O/S/C/L全通信波段

✅宽光谱：增益谱宽60-120nm

✅低噪声：自研芯片噪声系数＜4dB

✅低功耗：打开通道≤50mW/ch，关闭通道0功耗，支持无TEC简化封装

✅低偏振：PDG＜0.3dB，任意偏振光稳定切换

3. SOA构建片上OCS核心架构

与其他技术相比尽管SOA具有高速切换、高消光比、0损耗/高增益、宽光谱等优点，但在功耗，以及多级级联噪声累积上弱于其他技术。因此片上OCS方案，业内已基本达成共识，采用无源MMI/MRR+有源Inp SOA的集成架构，可兼顾两种技术的优势，使得片上OCS兼具小尺寸、0损耗、低功耗等优势。

上图未来片上OCS的基本架构示意，基于SOA阵列可搭建2×2、4×4、16×16甚至256*256多级光交叉矩阵，采用无源波导MZI/MRR+InP SOA异质混合集成架构：

硅光MZI/MRR负责光路分束合束，片上集成SOA阵列放在每路输出端口作为可控增益门控。光通路开启时SOA提供增益弥补损耗；通路关断时吸收全部光信号，提高隔离度。

对比纯无源硅光开关：同等端口规模下，SOA集成OCS无需多级中继放大，整机功耗、封装成本大幅下降，性能大幅提升。

三、用于OCS的SOA

常规的SOA尽管也具备光增益和光开关特性，但针对算力中心OCS需求，SOA还需进行一定的改进和优化。天津见合八方深耕全栈SOA产品，针对性推出适配片上光交叉SOA产品：

1. OCS专用SOA

短腔SOA精准匹配OCS所需10dB适中增益：

- 低噪声系数：低至4dB以内，高速800G/1.6T光信号传输无劣化

- 低功耗：支持无制冷乃至非气密封装，封装成本减半

- 宽光谱：光谱宽度60-100nm，单芯片覆盖多波段WSS波长选择场景

-低偏振：PDG<0.5dB，可适配任意位置任意偏振

- 低成本：小尺寸具有较常规SOA芯片更低的成本

2. 1×N硅光异质集成SOA Array芯片

单片晶圆集成多路SOA阵列，搭配垂直光栅耦合器，简化硅光芯片光纤耦合工艺；支持斜面光纤，光子引线键合（PWB）两套封装工艺。

3. InP SOA阵列透镜混合集成方案

推出1×4标准化BOX器件，采用透镜耦合封装，单通道独立电控，可外接硅光交换器件，快速搭建8×8、16×16中型片上OCS样机。

4. MZ干涉仪+SOA混合集成光交换单元

硅光MZI无源矩阵与InP SOA有源芯片端接耦合一体化封装，单模块集成分束、相位调控、增益开关全功能，面向万卡级智算中心大规模OCS批量落地。

四、技术路线演进：SOA定义片上OCS未来三代路径

1. 近期落地：硅光MMI + InP SOA混合集成

成熟倒装键合工艺，兼顾硅光高集成度与SOA增益优势，当前可小规模商用

2. 中期迭代：铌酸锂TFLN + SOA单片集成

依托铌酸锂超快电光特性，搭配SOA增益补偿，超高速超宽带交换

3. 远期终极：钛酸钡BTO + SOA单片同晶圆集成

全单片有源无源融合，极致小型化、超低功耗万端口片上光交换

五、国产一站式SOA解决方案

天津见合八方作为国内专业全系列SOA供应商，为OCS产业链提供如下服务：

1.全波段适配OCS场景的SOA

覆盖880/1060/1310/1490/1550/1625nm全波段，形态包含COC、蝶形器件、阵列模块、驱动板卡，直接适配OCS研发测试。

2.集成封装服务

混合集成封装，包括硅光/铌酸锂/钛酸钡无源光芯片与SOA一体化微封装，透镜耦合、FA耦合工艺支持

结语

AI算力网络正向全固态、纳秒级、片上集成的片上OCS时代跃迁，SOA作为唯一兼具开关与增益双重能力的有源光子芯片，是打破传统光交换性能桎梏的核心关键。

见合八方将持续深耕国产SOA全链条研发，为国内智算中心、全光网络、光子集成产业提供底层光放大与光开关核心器件，助力我国下一代全光算力基础设施落地。