数据中心互联技术专题：AI变革推动OCS新技术快速发展

行业研究·行业专题 通信 投资评级：优于大市（维持评级） 证券分析师：熊莉021-61761067xiongli1@guosen.com.cnS0980519030002 联系人：赵屿021-61761068zhaoyu6@guosen.com.cn 投资摘要 光交换机OCS (Optical Circuit Switch)是一种无需光电/电光（O/E/O）转换，直接实现光信号在光纤端口间切换的技术，应用于AI算力集群、超大规模数据中心的叶脊架构互连、超节点集群高速通信等场景。通过直接在光域完成数据信号的路由与切换，无需进行光电/电光转换，OCS技术从底层规避了传统电交换在高速传输下的带宽瓶颈、功耗损耗问题，大幅缩短了信号传输的时延，同时其功耗仅与端口数相关、与信号传输速率无关，大大降低减少了功耗。行业技术研究与落地实践验证，OCS技术可助力AI算力集群、数据中心光互连系统整体功耗降低30%以上。 OCS目前有四种技术路线，成本、性能、技术难度的权衡。目前，OCS主要有MEMS、液晶、压电、硅波导四大技术路线，MEMS方案作为谷歌自研方案商用节奏最快，其次是液晶方案。随着谷歌从“自研+代工”的模式逐步转向OCS整机方案采购，释放出更大的OCS市场空间。 随着SerDes速率不断升级，OCS技术后续有望在除谷歌外的客户快速增长。根据Cignal AI的测算，2025年OCS市场由谷歌MEMS OCS主导，总体市场规模约为4亿美元；2029年OCS的市场规模将超过25亿美元，四年CAGR约为58%，高速增长主要源于谷歌AI数据中心的算力需求增长和客户渗透率和应用场景的提升和扩张。Lumentum 25年第四季度业绩会公布OCS订单积压已突破4亿美元，主要来自3家核心客户，且需求仍在大幅增加，预计26年第四季度营收超1亿美元。 投资建议：目前OCS技术仍在产业化的初期，随着谷歌使用渗透率、客户渗透率和场景渗透提升，OCS相关元器件/材料（准直器、钒酸钇镜头、透镜等）需求量上升，国内各类器件厂商（特别是已与海外头部厂商有深度合作的厂商）均有望受益该领域发展。推荐关注OCS产业链【中际旭创】、【光迅科技】等公司。 风险提示：AI发展及投资不及预期；OCS发展不及预期；行业竞争加剧；全球地缘政治风险；新技术发展引起产业链变迁。 目录 OCS是一种新光电互联集成技术01OCS面向AI数据中心的应用02OCS产业链各环节公司布局03投资建议04 一、OCS是一种新光电互联集成技术 OCS是一种新型光交换技术，无需光电转换 OCS（Optical Circuit Switch）光交换是一种无需光电/电光（O/E/O）转换，直接实现光信号在光纤端口间切换的技术。数据中心中采用OCS可显著提升整体网络性能、运行效率和可持续性，优势显著： Ø高带宽能力：OCS光路交换不依赖固定速率，可以充分利用光纤的全部容量，从而实现更高的数据吞吐。这使得网络资源利用更加高效，能够满足现代数据中心不断增长的带宽需求。 Ø速率/协议透明，适配长期技术演进：不涉及光电转换和封包解析，OCS对波长、调制格式、波特率完全透明。现有的OCS硬件可以支持从40G、100G到800G甚至未来的1.6T、3.2T演进。电交换受限于ASIC芯片的速率上限（如当前主流400G交换机ASIC，升级1.6T需整体更换硬件）Ø低延迟+低功耗，契合高性能场景需求：仅引入光速传播延迟（光纤中～5ns/m，自由空间～3.3ns/m），单跳延迟< 100ns，远低于电交换的数十/数百纳秒;OCS消耗极少量电能（Palomar整机功耗仅约108W），比同等吞吐规模的电交换机节省数倍功耗。Ø灵活部署+可扩展性：支持增量部署与扩容，DCNI层可按1/8→1/4→1/2→全尺寸逐步扩展，可先部署再在线升级，配合软件重构，实现“按需部署”，降低初始资本投入。而电交换机的端口数、速率是固定的，扩容需更换硬件。 OCS四大主流技术路线：成本、性能、技术难度的权衡 目前OCS（optical circuit Switch）主要包括MEMS、液晶、压电、硅光波导四大主流技术路线。谷歌主导的MEMS技术目前2025年处于商用阶段占据市场90%以上份额（年产近万台），其他技术仍然在小批量几十台的市场验证阶段。2026年，Google主导的MEMS方案预计放量超万台，谷歌采取两种供应方案，（1）设计并指定元器件供应商，代工厂组装整机。（2）直接采购整机方案。如Lumentum、Coherent等供应商。2026年微软、META、英伟达等其他CSP厂商和芯片厂商都有意导入OCS交换机进行部署，目前在小批量测试阶段。 OCS - MEMS方案分析 MEMS方案工作原理：通过两组可动态调节角度的MEMS微镜阵列实现光路在三维空间中的任意对转。每一路输入光信号先通过光纤准直透镜阵列转换为平行光射向第一组微镜，微镜根据预设指令倾斜特定角度，将光束精确反射至第二组微镜上的目标位置，再经由第二组微镜二次反射校正，最终耦合进特定的输出光纤中。 MEMS光开关主要有两种类型：2D MEMS光开关和3D MEMS光开关。 Ø2D MEMS :由玻璃基板和其上覆盖的一层薄硅构成，硅层上排列着一系列由静电力驱动的反射镜。当向反射镜施加电信号时，它们会旋转并将光反射到所需的输出端口。结构简单，制造相对容易。 Ø3D MEMS :首先在硅晶片上刻蚀出一系列沟槽。然后，在沟槽中填充金属，例如金或铝。之后，蚀刻掉金属以形成微镜。微镜可以沿两个轴任意旋转，从而改变不同角度入射光斑的输出。3D MEMS光开关尺寸更小，功耗更低，插入损耗和串扰也更低。 资料来源：GLSUN公司官网，国信证券经济研究所整理 OCS -数字液晶方案 液晶光开关是一种基于施加电场改变液晶对入射光偏振状态的技术。 Ø工作原理：位于输入端口的双折射板将输入光束转变为所需的偏振状态。双折射材料沿着两个不同方向（如x轴和y轴）具有不同的折射率。在未施加电压时，输入光信号以相同的偏振通过液晶盒和偏振分束器。施加电压会改变光信号的偏振，在足够的电压下，信号的偏振旋转为正交偏振，偏振分束器将光束反射到输出端口。 Ø不同基板方案：不同液晶承载基板组合（玻璃-玻璃、玻璃-硅、硅-硅）的OCS方案，其核心差异体现在光学性能、电学兼容性、工艺难度及应用适配性上。 资料来源：Coherent官网，国信证券经济研究所整理 数字液晶（Digital Liquid-Crystal，DLC）是一种非机械的光学交换方案，其核心原理是利用液晶分子在外部电场作用下的偏转特性，实现对光束传播方向的精确控制。在数字液晶光交换系统中，液晶光模块（LCLM）通过级联可调液晶延迟器与双折射晶体光楔，实现对多端口光信号的灵活调度。该技术对光学装调工艺要求较高，目前最大可支持512端口规模。数字液晶光交换在可靠性和使用寿命方面表现较好，所需驱动电压低，但其光路切换时间通常为几百毫秒，长于MEMS方案，主要应用在无需频繁数据切换的场景，如冗余备份。 资料来源：Coherent官网，国信证券经济研究所整理 OCS -压电陶瓷方案（DLBS） 压电陶瓷方案（DLBS）光交换是利用压电陶瓷组件（通常是紧凑的压电执行器）上施加电压时，材料会产生微米级的精确形变的原理。通过在某一轴向上改变材料尺寸的功能，来驱动光束射向不同的方向来实现光路的交换。光纤准直器直接固定在压电陶瓷驱动器上，每个准直器尾部与压电陶瓷相连，排列成二维准直器阵列，将两个二维准直器阵列面对面放置，构成光开关矩阵。 Ø传输性能优异：DLBS方案通过压电陶瓷驱动光纤准直器实现空间光直耦精准对准，光路链路简洁，可实现更低插入损耗与更优回波损耗，有效保障光通信链路的传输质量。Ø运行可靠性突出：该方案以压电陶瓷为核心驱动部件，驱动机制简洁且无复杂微镜运动磨损问题，相较高驱动电压的MEMS方案，长期连续工作的稳定性与可靠性显著提升。Ø切换时间较慢和端口扩展缺陷：每个准直器配备独立驱动与精密控制单元，端口扩容时驱动通道、对准控制复杂度呈指数级增长，且大规模阵列的空间布局与微米级对准精度难以保证，故不适合大端口应用。 OCS -硅光波导方案 硅光波导方案：硅波导开关（如基于MZI马赫-曾德尔干涉仪）通过改变波导材料的折射率来控制光路。通过在硅基芯片上构建结构确定的光路矩阵，光信号按照既定路径传输。硅光波导方案未来在大规模生产和成本控制方面潜力巨大，理论切换速度可达到微秒甚至纳秒级别；硅光波导目前的问题在于耗损较大，多通道情况下存在串扰和可靠性问题。 Ø切换速度快：硅波导开关（如基于MZI马赫-曾德尔干涉仪）通过改变波导材料的折射率来控制光路。这种调制基于等离子色散效应（载流子注入/耗尽）或热光效应。其响应时间通常在微秒到毫秒级别，能应对更动态的流量需求。Ø高集成度与CMOS兼容：可利用现有的300mm CMOS生产线大规模制造，将开关矩阵与驱动电路单片集成，大幅缩小设备体积。未来扩展性：支持多级级联（Clos架构）和片上放大器（SOA）集成，是未来构建板级全光互连的一条路径。Ø较高的插入损耗：由于波导内部的侧壁散射及复杂的耦合界面，其损耗通常高于3D MEMS，且在大规模阵列中损耗累加效应明显。 图：OCS硅波导方案 资料来源：IPRONICS官网，国信证券经济研究所整理 二、OCS面向AI数据中心的应用 Google一直引领自研ASIC芯片，TPU已经研发到第七代 从2015年开始，Google发布第一代TPU，并保持1-2年更新一代产品节奏。4月9日，谷歌在拉斯维加斯举办的Google Cloud Next 2025大会上正式发布了第七代TPU芯片——Ironwood。 资料来源：Google，国信证券经济研究所整理 Google在机柜内设计三维环面网络互联 TPU芯片连接主要采用2D-Torus和3D-Toru互联方式，扭曲拓扑可以改进负载均衡，对分带宽，数据包路由更短。一个TPU机架包含64个TPU芯片，通过4x4x4三维环面网络互联。 TPUv4集群：每个托盘有4颗芯片，以4*400Gbps速率连接跨板的GPU，目前机柜内主要采用DAC进行机柜内连接，TPU: 400G DAC=1:4。 资料来源：Google，国信证券经济研究所整理 资料来源：Google，国信证券经济研究所整理 TPU4使用OCS(MEMS)-架构(4096TPU-48个300端口OCS) 从2015年开始，Google发布第一代TPU，并保持1-2年更新一代产品节奏。2022年起，Google的第四代TPU开始使用OCS技术。OCS（optical circuit Switch）光交换是一种无需光电/电光（O/E/O）转换，直接实现光信号在光纤端口间切换的技术。OCS原理是直接对光信号进行物理路径的重构，从而在输入/输出端口之间建立专用光路。无需光电转换的特性带来低时延、低功耗、高带宽容量、速率无关、可拓展性等优点，解决了传统电交换机面临的很多限制。 TPU4的组网架构中，每个Rack/Cube（乃至TPU）互联形成的三个轴（即三个方向）需要三端口对接。TPU的4096个TPU集群互联组成的集群需要4096*3=12288端口（6144对光线），对应48台300端口OCS交换机（128进+128出）。 资料来源：Google，国信证券经济研究所整理 TPU7等芯片对OCS互联要求提升（9126TPU-48个600端口OCS） 超节点：TPU7组成9216个芯片的集群设计需要600端口（288进+288出+备份）OCS交换机48台。TPU7（Ironwood）沿用3D Torus（立方环网）拓扑，每个逻辑单元4×4×4=64芯片封装于单个机架，144个rack/cube共9216颗TPU。每个单元需要96个光连接⼝，总端⼝需求达13824个端口，对应48台600端口的OCS交换机。