1、 OCS 通过全光交换带来性能突破
（1）OCS 全光互联替代电交换机，性能优异
光电路交换机（Optical Circuit Switches，OCS）是一种基于纯光信号路径切换的核心技术设备，其工作原理完全规避了传统电交换必需的光电转换环节。OCS 基于光交叉交换原理（在 P个输入光端口和 M个输出光端口之间进行切换）的光信号控制交换技术，其核心功能是实现光信号在不同通道间的动态切换，使服务器端口之间直接实现光互连，完成全光路的重构，整个过程不需要光-电-光（OE-O）转换。
现代数据中心往往使用脊叶（spine-leaf）架构，OCS 能够在脊柱层（spine层）提供稳定、大带宽直连通道的数据流，为进一步拓展数据传输性能提供了极具吸引力的方案。spine-leaf 架构由两层组成：spine 层（核心骨干交换机）和 leaf层（接入交换机），leaf 层直接连接数据中心内的服务器、存储设备和其他设备，该层的交换机负责将流量转发到 spine 层。
Leaf 层流量的特点是突发性强、连接数量多、但每个连接的数据量小，而 spine 层接收汇聚的数据流，具有大规模、持续性传输的特点。在传统的拓扑结构中，数据中心网络的 spine 层通常采用电交换机，需频繁进行电信号与光信号之间的转换。这一过程不仅消耗大量电力，还会引入显著的数据延迟，此外，若要在数据中心中部署此类架构，必须预先建设大规模的主干层，否则后续扩展将面临整体重新布线的挑战，造成高昂的资本支出。相比之下，OCS 作为光电光的替代方案，能够实现更高效、更低延迟的数据传输，有助于 spine 层从分组交换向光转换的过渡。
使用 OCS 替代 spine 层的网络架构
资料来源：Polatis，民生证券研究院
OCS 凭借其高带宽容量，低能耗，数据速率独立性，低延迟和可扩展性，可以解决电交换机面临的许多限制。
1）带宽容量高：OCS 由于传输速率不受限制，能够充分利用光纤的容量，从而更有效地利用网络资源，满足现代数据中心日益增长的带宽需求。
2）能耗低：由于消除了光电转换的需求，不需要放大器或中继器等功率密集型组件来进行长距离传输，OCS 的能耗降低，成为更能满足可持续发展目标的技术。
3）数据传输速率独立：数据中心如今以多种数据速率运行，电交换机的固定数据传输速率带来了巨大限制，而 OCS 能够以多种速率连接，能够支持更快地扩展规模，其理论交换速度可达传统电交换芯片的 1000 倍以上，美国能源部阿贡国家实验室和普渡大学已在实验中验证该性能指标。
4）信号传输快：OCS 能够通过避免光电转换从而实现接近 0 的延迟，这对于需要实时数据处理和低延迟通信的应用尤其有利。5）可扩展性：在架构上，OCS 架构天生具备更强的扩展能力，能够支持更多端口和更高的聚合吞吐，因此 OCS 能够满足现代数据中心动态且不断增长的需求。
2、 OCS 光交换方案一览
OCS 领域尚未形成统一技术标准，目前有三大技术路线并行发展——3DMEMS，数字液晶（DLC）和直接光束偏转（DBS）方案，各大厂商正在加速部署。
（1） MEMS 方案
MEMS 方案通过在硅晶圆上蚀刻微型反射镜阵列，并利用集成的静电或磁致动器驱动微镜的倾斜，以精确地改变输入光束的传播方向，将其路由至指定的输出端口。Lumentum 在其 R300 产品中使用了 MEMS 方案，其 MEMS 技术已累积超过 1 万亿小时的现场微镜运行时间，对于提升 OCS 的可靠性和性能有显著作用。
谷歌作为 OCS 领域投入最大、应用最深入的厂商，在 MEMS 方案上已经进行了相当成熟的应用。谷歌在 OFC2023 中展示的内部项目的“Apollo”OCS 平台基于 MEMS 方案，对于该系统，OCS 降低了 30%的成本和 40%的功耗，能够合理地控制成本。谷歌在脊置换与 AI 集群重构等实际场景中，充分展示了该技术在节能与架构灵活性方面的显著优势，有效推动了市场对该技术前景的关注。除此以外，谷歌的 TPU v4 Pod 是第一台部署可重构 OCS 的超级计算机，由 4096 个定制设计的芯片组成，与 48 个 OCS 链接，专为大规模机器学习工作设计。
为了将这些芯片立体结构互联起来，形成更大规模的 Pod，谷歌则依赖于基于 MEMS 的 OCS 和光纤连接，即每个 4x4x4 的 TPU 立方体拥有 96 个光链路接口，最外侧六个面上的 TPU 与 48 个独立的 OCS 设备连接，内部的 TPU 之间通过电缆连接，从而构建了一个可重构的高速 3D 环面网络。
据 Cignal AI 估计，从 2020 年至 2024 年，谷歌对 OCS 技术的投资累计已超过 5 亿美元，逐步将其深度融合至自身基础设施的多个应用层面。2024 年谷歌已开始量产最新的第六代 TPU v6，使用自主研发的 OCS 取代了脊柱交换机，通过其擅长的软硬件集成，提高了计算集群效率，大大降低了 TPU SuperPOD 的功耗和成本。
（2）数字液晶（DLC）方案
数字液晶（digital liquid-crystal，DLC）是一种非机械的光学交换方案，其工作原理是利用外部电场改变液晶材料的折射率，从而实现对光路方向的精确控制。Coherent 的 OCS 平台便基于此技术，该公司于 18 年前就已经将该项技术用于波长选择开关（WSS）中，具有丰富的技术使用经验，同时 DLC 技术只需要极低的驱动电压（低于 10V）来切换其液晶单元，能够进一步保障 OCS 运行的可靠性。
Coherent 光开光（使用 DLC 技术）
资料来源：Coherent，民生证券研究院
（3）直接光束偏转（DBS）方案
直接光束偏转（DirectLight Beam-Steering）核心由三个部件构成：光纤准直器（fiber collimator）、二维压电致动器（2D Piezo Actuator）和精确位置传感器（position sensor）。每个准直器端口的转动位置均经过预先精确标定。系统通过压电效应驱动致动器产生二维伸缩位移，从而实现准直器的精密转动，并借助位置传感器实现闭环反馈控制，最终将两个光纤准直器精准对准至同一直线上。该技术是 Polatis 的独家专利技术，能够帮助 OCS 中的光精确转动与定位，不对光信号做任何其他处理，光性能良好。
Polatis 单模 576 x 576 矩阵光开关
资料来源：Polatis，民生证券研究院
3、英伟达 scale-across 助力 OCS 市场扩张
（1） NVIDIA Spectrum-XGS 以太网：AI 计算第三大支柱
NVIDIA Spectrum-XGS 以太网是 NVIDIA 于 2025 年 8 月 22 日推出的一项突破性网络技术，旨在解决分布式数据中心互联的瓶颈问题。该技术被设计为跨区域扩展 (scale-across) 的解决方案，被 NVIDIA 认为是继纵向扩展 (scale-up)和横向扩展（scale-out）之后的 AI 计算“第三大支柱”。这一全新的战略范式旨在将位于不同城市、国家乃至大洲的分布式数据中心无缝地组合成一个庞大的、十亿瓦级的 AI 超级工厂。其核心价值在于打破物理空间限制，释放 AI 算力集群的无限扩展潜力。
Spectrum-XGS 的核心技术特点包括自动距离调整拥塞控制，精确延迟管理，长距离连接优化。该以太网能够根据数据传输距离动态调整网络参数，最大限度地减少延迟和拥塞，能够通过端到端遥测技术实现纳秒级精度的时间同步，同时专门针对分布式 AI 集群的长距离连接进行了优化。其架构基于先进的算法和硬件集成，能够动态适应数据中心设施之间的距离变化。
Spectrum-XGS 以太网平台提供了比传统现成以太网解决方案高 1.6 倍的带宽密度，为多租户、超大规模 AI 工厂提供了无缝扩展能力和超低延迟。对于 AI训练任务而言，这意味着训练时间进一步缩短，运营成本进一步降低以及资源利用率进一步提高。CoreWeave 作为首批采用该技术的云服务提供商，已经开始部署Spectrum-XGS 以太网技术，通过将其数据中心连接成一个统一的超级计算机，为客户提供十亿瓦级 AI 计算能力。
（2） 以太网交换机市场扩张，拉动 OCS 需求
据Dell’Oro Group，以太网交换机芯片销售额在2025年有望超越InfiniBand，并在 2030 年占据主导地位。向基于以太网的网络的转变正在加速，SpectrumXGS 走在了前列。虽然 InfiniBand 曾一度主导人工智能后端网络，但以太网的开放标准、更低的成本和更广泛的应用正在重塑这一格局。推动这一转变的是为分布式人工智能基础设施寻求高性价比、可扩展解决方案的超大规模企业和企业。OCS 由于端口数多，互联带宽大，能够为跨区域扩展架构的底层物理网络提供低功耗、高带宽的直连光链路，因此该架构有望大幅提升 OCS 交换机用量。
OCS过去主要用在 spine 层，未来更适用于定增数据中心间互联，以响应软件层发出的重构指令。Spectrum-XGS 以太网主要解决的是数据中心之间的长距离、高带宽连接问题，而 OCS 光交换机则优化了数据中心内部的大规模计算节点互联问题。
Spectrum XGS 所定义的跨区域扩展架构，其核心在于通过智能算法和软件控制来管理分布式集群间的通信。然而，要实现这种远距离、低时延、可预测的通信，仅仅依靠软件层面的优化是远远不够的，模块化数据中心和容器化部署需要强大的连接。OCS 提供了实现这一愿景所需的底层物理能力，它将网络连接从静态的物理布线转变为可动态配置的资源，使得软件可以根据任务需求，在毫秒甚至更短的时间内，重新建立最优的物理连接。
作为核心驱动，Spectrum-XGS 助推人工智能超级工厂兴起，将重塑 OCS 市场格局，开启新一轮行业增长。当前，OCS 的应用主要局限于单一数据中心内部，例如替代传统脊叶架构中的电交换机。然而，Spectrum-XGS 与 OCS 的协同，不仅能够为 AI 工业革命提供可无限扩展、高效节能的算力基础设施，也为 OCS 产业开辟了全新的市场蓝海。这一潜力已反映在市场规模中。据 AInvest 估计，到2030 年，人工智能专用基础设施的资本支出预计将达到 5.2 万亿美元，预示着人工智能超级工厂蕴藏着不可忽视的市场机遇。
4、OCS 产业协同，供应链不断成
熟据 Cignal AI 估计，至 2028 年，全球 OCS 市场规模有望突破 10 亿美元，展现出强劲的增长潜力与不容忽视的商业价值。在 OCS 设备的供应链体系中，上游光交换机供应商、关键材料与核心元器件供应商以及下游客户共同构成了一个紧密协作且技术驱动型的产业生态。
随着全球数据流量持续激增以及数据中心向高速、低功耗方向迭代升级，OCS 技术因其在光网络重构、能耗控制与传输效率方面的显著优势，正迎来广阔的市场前景。Coherent 供应 MEMS 和数字液晶两种方案的 OCS 平台。Coherent 的MEMS 光交换机的主要优势是可靠性高和寿命长，该光交换机已实现供货。
此外，该公司采用数字液晶技术的 OCS 平台已获得 2024 ECOC 展会最佳产品奖，并获得了首个客户订单，预计在 2025 年开始产生收入，这表明 DLC 技术正在赢得市场的认可，成为 MEMS 技术路线的有力竞争者。
Lumentum 作为光网络和光子解决方案的全球领导者，该公司目前正向多家超大规模客户送样其 R300 光交换机（300x300 端口）。其在 FY2Q25 首次通过OCS 获得了收入，并向两家超大规模云客户发货，同时已获得第三家超大规模云客户的承诺，预计将于 2026 年开始部署。Lumentum 在电信领域深耕多年，积累了深厚的 MEMS 技术和专利组合，为其 OCS 产品的可靠性和性能提供了基础。
中际旭创通过提供高性能的光模块，以支持 OCS 架构的高速数据传输需求。为了与 OCS 的平滑互通，光模块需要更高的输出功率、双向性和多波长选项，中际旭创主要为 AI 和数据中心提供 100G、200G、400G、800G 乃至 1.6T 的光模块解决方案，使云运营商能够快速升级计算和网络，满足终端客户的需求。除了生产光模块外，该公司还具备 OCS 交换机整机代工能力。
德科立作为业内领先的光电子器件和光传输子系统供应商，是 OCS 整机供应商及代工商。德科立建立了光收发模块、光放大器、光传输子系统三大技术平台，产品包括光收发模块、光放大器、光传输子系统等，其 OCS 整机产品主要服务于云计算、大数据中心等领域的核心客户。
腾景科技已量产的钒酸钇（YVO4）单晶适用于隔离器，环形器和偏振器件，广泛应用于光通信领域。环形器是一种能够实现双向通信的元件，可以使单个光纤股同时进行双向传输。这使得所需的 OCS 端口和光纤数量减半，从而降低了成本和复杂性，对于大规模部署至关重要。
赛微电子作为核心的 MEMS 晶圆代工厂，其业务涵盖 MEMS 工艺开发和晶圆制造。赛微电子掌握硅通孔、晶圆键合、深反应离子刻蚀等多种工艺和技术。该公司制造的 MEMS OCS 已通过客户验证，收到了采购订单，现已启动小批量MEMS OCS 试生产，是 MEMS 技术路线的重要上游支持者。
炬光科技作为全球领先的光子应用解决方案提供商，其研发的精密光学微透镜阵列为 OCS 小型化奠定技术基础，展现出突破性的创新价值。该技术同时能够在相同尺寸下大幅提升光通道数量与数据传输带宽，为 OCS 系统性能拓展出更大空间。此外，它还确保了交换机内部光信号的高精度传导，进一步巩固了该公司在高端光通信领域的核心优势。
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