AI数据中心催生全新产品：集成式光子-MEMS器件
2026-01-17 21:59:55 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
人工智能（AI）数据中心正推动数据网络领域的变革，催生一波令人瞩目的全新产品（集成式光子-MEMS器件）发展浪潮。
人工智能（AI）数据中心正推动数据网络领域的变革：光纤正逐步取代铜缆，光路交换机也在替代传统电子网络交换机。在技术迭代与市场需求的双重驱动下，光子学即将成为现代数据中心的基础架构技术。
注意到上述趋势的不仅仅是技术人员，金融市场也做出了相应的反应——AI数据中心的组件供应商股价持续走高；聚焦下一代光网络技术的初创企业获得大量投资（市值达到数十亿美元），这些都是最直观的佐证。
据麦姆斯咨询介绍，通过在计算机机架之间以光子而非电子的形式传输数据，消除了电流传输过程中的功率损耗（焦耳热）。这可显著降低AI数据中心30%至40%的电力需求。此外，光波分复用技术可将多个数据流叠加，从而实现人工智能应用所需的海量数据吞吐量。
上述技术的落地应用已有现实案例可循。谷歌（Google）Jupiter系统的实践表明，采用光路交换机（OCS）动态优化AI数据中心流量，可带来显著的性能跃升。若要打造满足未来需求的AI数据中心基础设施，就必须以光纤束互联的光子及光电子系统来替换传统的铜缆连接的电子交换机及相关组件。
光路交换机通过MEMS微镜阵列将N个输入光纤映射到N个输出光纤
光子-MEMS混合集成技术
光子学需要借助纳米级或微米级的位移来实现光束操控，而微机电系统（MEMS）则可通过静电式或压电式驱动器，达成高精度的位移控制。全球学术界已对光子-MEMS混合集成技术开展了多年研究。如今，AI数据中心的强劲市场牵引力，正加速这项技术的商业化进程。
自动驾驶汽车、企业级医疗影像分析等其它对数据带宽要求严苛的复杂系统，也将很快间接受益于这一由AI数据中心驱动的、融合了光子学和MEMS的技术。
MEMS主要从两大领域增强光子器件的性能与功能：一是光子集成回路（PIC）；二是自由空间光学系统。
光子集成回路的耦合、切换与调谐
随着通信及数据网络领域的光学系统规模持续扩大、复杂度不断提升，在光子集成回路中实现高效、快速、高精度的耦合、切换与调谐，变得至关重要。借助MEMS驱动器，可在波导内部产生瞬时机械应变，或对光学元件进行位移操控，从而分别引起折射率或光耦合的变化，最终实现滤波、耦合、相移等各类光路功能。
可调谐功率耦合器与开关
可调谐移相器
此前有一种传统的方案——利用热光材料特性，通过加热产生局部调控，但该方案存在诸多固有缺陷。虽然可行，但其不仅功耗偏高（毫瓦级），响应速度也十分迟缓（毫秒级），更关键的是，该方案会将多余热量传导至周边的其它元器件。
所幸的是，MEMS静电式或压电式驱动器能够实现与热式驱动器完全相同的光学调控效果，并且功耗可降到纳瓦至微瓦级别，工作频率更能达到MHz至GHz量级。这种显著的改进能够为成排计算机机架的设备节省大量电力。
节省空间也是一项关键优势。MEMS驱动器可直接制作于光子结构的相邻位置或顶层（即单片集成），凭借这一紧凑布局，能够实现数千个光子元件在光子集成回路中的高密度集成。事实上，以锆钛酸铅（PZT）为代表的薄膜压电材料，以及铌酸钾钠（KNN）等新兴无铅薄膜材料，能够在很小的体积内实现高驱动力，并可在GHz频率下进行声光调制。这并非纯理论推演——相关技术可行性已得到学术界研究的验证。
MEMS压电式驱动器（图中黄色与绿色组合部分）与光子集成回路混合集成后可实现的各种功能
光束操控与多路复用技术
自由空间光学系统，例如数据中心光交换设备和车载激光雷达（LiDAR），亟需具备高速、低功耗光束操控能力的核心组件。在过去二十年间，尽管MEMS微镜主要用于视觉显示领域，但其技术价值在现代光学系统中仍具有不可替代的重要地位。
MEMS微镜能够实现微秒级响应速度、大光学孔径，以及可扩展的量产能力。MEMS微镜可采用静电驱动、压电驱动等方式，并依托MEMS技术实现微镜阵列参数的高度灵活定制，例如镜面直径、镜面形状（如圆形和椭圆形）、扫描角度、切换速率、行列排布等多个维度。这意味着MEMS微镜为打造高度优化的自由空间光学解决方案，提供了极为广阔的设计空间。
光子-MEMS混合集成技术已准备就绪
从制造角度来看，下一代光学系统利用MEMS与光子器件更深层次的集成技术，如今已具备切实的可行性。
硅光子-MEMS的代表性实例展示
目前，MEMS与光子器件可分别由专业代工厂基于200毫米（8英寸）晶圆完成大规模制造。鉴于这两类技术在工艺方面存在共通性，下一步即可实现制造环节的整合，以满足AI数据中心的规模化应用需求。
通过将比利时Imec的iSiPP50G代工平台与瑞士洛桑联邦理工学院微纳技术中心的MEMS工艺相结合而制成的光子-MEMS器件。
光子-MEMS器件并非意味着需要建造新的代工厂，只需增加少量设备，光子晶圆代工厂即可拓展MEMS 工艺能力，反之亦然。众多晶圆代工厂正通过实践印证这种制造整合模式的可行性。比利时微电子研究中心（Imec）、法国原子能委员会电子与信息技术实验室（CEA-Leti）等科研机构，以及 SkyWater、X-Fab、格芯（GlobalFoundries）等商业量产代工厂，都已取得了成功。未来数年，持续旺盛的市场需求，将推动更多晶圆代工厂布局可扩展的集成式MEMS与光子器件制造模式。
经年积累的学术研究积淀、成熟的MEMS技术体系、可扩展的光子-MEMS混合集成制造工艺，再叠加AI数据中心领域的强劲市场需求，多重利好因素正汇聚发力，催生一波令人瞩目的全新产品（集成式光子-MEMS器件）发展浪潮。
精准位移控制与光子技术的融合，正为数据中心、激光雷达、光子计算及众多前沿高端应用，量身打造全新的高性能集成解决方案。
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