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UCB的硅光MEMS OCS控制技术
一、光电路交换技术概述
（一）电交换与分组交换
电路交换的概念源于早期的电话交换机，通过物理连接实现设备间的通信，就像早期打电话时，接线员手动连接线路一样。而分组交换则是将数据分割成数据包，通过网络节点进行转发，实现多设备间同时传输数据，无需预先建立物理连接。光交换（OCS）类似传统电话交换机，只不过它传输的是光信号。与EPS相比，OCS的直接光连接能降低功率损耗和延迟，但需要提前规划连接路径，适用于流量较为稳定、可预测的场景。
（二）OCS在数据中心的应用现状
谷歌率先在数据中心引入OCS，用其替换部分骨干EPS，构建了可重构的网络拓扑。通过分析流量矩阵，优化网络连接，提升了带宽利用率，降低了部署和维护成本。这一实践展示了OCS在大规模数据中心中的可行性和优势，也引发了业界对OCS技术的更多关注。
（三）OCS技术的发展方向
未来，分布式AI/ML工作负载对网络性能提出了更高要求，需要更频繁的拓扑优化。然而，目前OCS的ms级切换速度仍限制了其在这方面的应用。因此，开发更快切换速度的OCS技术成为了未来的重要研究方向。
（四）现有OCS技术的优劣势
目前的OCS技术主要包括3D MEMS镜子技术、压电式开关、硅光OCS等。谷歌采用的3D MEMS微镜技术具有低插入损耗的优点，但切换速度较慢；压电式开关损耗也较低，但制造成本较高。
硅光OCS虽然切换速度快且成本潜力低，但存在插入损耗和串扰等问题。基于InP的OCS虽有无损切换的优势，但工艺不成熟、成本高、规模做不大。
而UCB团队开发的croosbar架构SiPh MEMS OCS具有快速切换和低插入损耗的潜力，不过在控制方面面临挑战，需要解决高压驱动和大规模器件控制的难题。
二、SuperSwitch 1：数字控制方案解析
（一）设计思路
SuperSwitch 1旨在设计一款用于数字硅光MEMS开关的高压CMOS控制器。其采用的MEMS器件基于双层绝热耦合器架构，通过施加高压实现光信号的转向。
由于MEMS器件工作电压超40V且存在滞回现象（如上图所示，pull in和pull out的响应存在差异），设计团队采用数字高压驱动方式，简化了驱动器设计并降低了功耗。在控制128x128的OCS时，将其划分为多个32x32的子区域，利用4x4的CMOS小芯片阵列进行控制，并通过列折叠技术减少扫描链数量，优化数字控制架构。
（二）技术细节
1. CMOS设计与仿真
芯片采用TSMC的180nm高压BCD Gen2工艺制造。数字架构通过扫描链控制开关元件，每个小芯片包含32x32的数字高压电平转换器阵列。为解决控制问题，采用独特的地址扫描链和指令扫描链设计，通过5位解码和2位地址匹配，实现对128行的精确控制。同时，通过调整列折叠因子，优化扫描链长度和IO数量，在保证控制精度的前提下，将扫描时间控制在1μs以内，与MEMS器件的快速切换速度相匹配。
2. 高压驱动电路
高压驱动电路基于电容性电平转换器，通过自举电容实现1.8V数字信号到70V高压信号的转换。为确保电路在不同工艺角下稳定工作，对自举电容进行了优化，选择90fF的MOM电容，既能保证电容耦合效果，又能在面积和性能之间取得平衡。同时，设计了严格的初始化程序，避免加电时电路短路，确保电路正常工作。
3. 3D SiPh - CMOS封装与PCB设计
采用Au μBump键合工艺连接SiPh和CMOS芯片，通过调整UBM厚度补偿芯片间的高度差，实现了可靠的连接。PCB设计分为芯片板和主机板，芯片板用于连接芯片和外部引脚，主机板包含测试所需的各种IC，这种分离设计便于测试和复用。
（三）测试流程与结果
1. 测试流程
利用FPGA生成扫描控制器，通过PC发送UART命令控制扫描链。在电光表征测试中，输入光经偏振控制器优化后，通过一系列分光器和OCS引入硅光OCS，输出光通过功率计和示波器测量光功率和信号上升、下降时间，整个测试过程实现了自动化。
2. 实验结果
对32x32 OCS的测试显示，开关元件的切换速度快，上升时间为0.83μs，下降时间为0.46μs（HVDD = 60V时），光学损耗分布稳定，良率高达99.7%(仅有4个开关单元不工作)。功耗方面，静态功耗几乎为0，动态功耗在最大重构频率1.7MHz时为72mW，通过优化PCB布局等方式可进一步降低功耗。
三、SuperSwitch 2：模拟控制方案解析
（一）设计思路
SuperSwitch 2采用AIM Photonics的平台，以解决工艺兼容性和可扩展性问题。由于AIM Photonics没有多晶硅波导工艺，这里采用了基于横向绝热耦合原理构建开关元件，与SuperSwitch 1不同，该结构在未施加电压时光从输入耦合到输出，施加高压时光进入相邻列的输入。
由于水平方向没有机械stopper，为避免MEMS电容极板接触短路，采用模拟控制策略，精确控制电压以保持开关元件位移在安全范围内，并利用双步响应策略减少振荡。
（二）技术细节
1. CMOS设计与仿真
芯片包含64个高压DAC，用于独立控制8x8 SiPh MEMS OCS的开关元件。通过仿真确定DAC分辨率为6位，以平衡精度和功耗。数字架构通过独特的扫描链设计实现对每个开关元件的精确控制，包括选择接口和控制接口，分别负责选择行和设置配置位。单元控制器集成了多种电路，如静态电流DAC（IREFP）、动态电流DAC（6位IDAC）、有限状态机（FSM）和高压驱动器（HVDRIVER），协同工作实现对MEMS器件的精准控制。
2. 高压驱动电路
HVDRIVER采用电阻负载结构，通过优化电流镜比例和电阻值，实现稳定的高压输出。根据MEMS器件的电容特性和目标稳定时间，计算并选择合适的电阻值，确保在1pF负载下上升/下降时间达到100ns的设计要求。同时，通过合理设置偏置电流，保证晶体管在不同输入电流下均能保持饱和状态。
3. 封装与测试
采用基于wire bond的3芯片封装方案，便于连接和测试。对CMOS芯片的静态性能测试显示，HV DAC的DNL和INL满足设计要求，预期响应与理想情况接近，功耗主要由HVDD和VDDH供应决定，且随OCS基数增加呈现特定变化趋势。光响应测试还没有完成。
四、两种方案的对比与总结
（一）技术对比
SuperSwitch 1采用数字控制，适用于对开关速度要求高、控制相对简单的场景，其优势在于快速的切换速度和低静态功耗；SuperSwitch 2采用模拟控制，更适合对精度要求高、需要精确控制电压的场景，在解决无机械止动器的MEMS控制问题上具有独特优势。两者在不同的应用场景下各有优劣，为硅光MEMS OCS的发展提供了多样化的解决方案。
（二）研究成果与展望
本文提出的两种设计方案为硅光MEMS OCS的控制提供了创新的解决思路。尽管目前SiPh MEMS OCS在插入损耗等方面仍存在挑战(光栅耦合9dB＋最大片上插损14dB)，但随着技术的不断进步，如采用更高效的耦合器(在MingC Wu另外一篇学位论文摘要中，他们已经开发了高效率的晶圆级microlens垂直耦合，耦合效率可以达到0.6dB)、优化波导设计以及改进CMOS控制技术等，有望实现更低的损耗和更高的性能，为数据中心和高性能计算领域带来更高效、可靠的光交换解决方案。
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