破局 AI 算力瓶頸：透視 OCS 應用與 1.6T 時代的光通訊技術革命

【前言：意外的主角，重塑資料中心的「光速革命」】

在剛結束的 OFC 2026（光纖通訊大會）上，全場熱議的焦點並非只有預期中的 CPO（光電共封裝），而是原先相對小眾的 OCS（Optical Circuit Switching，光電路交換）。

這場變革的火藥味十足。根據 TrendForce 最新預估，僅 Google 代號為 Ironwood 的 TPU v7 機架部署，就將驅動超過 600 萬隻 800G 以上的高階光模塊需求。一個反直覺的真相也隨之浮出水面：當 OCS 在 Spine 層成功「取代」了傳統電交換機後，它非但沒有消滅光模塊，反而成為推動模塊規格升級的「超級推手」。

本文，我們必須深入 OCS 的物理邊界，解析它為何將 WDM 與 Circulator 成為光模塊標配，並探討未來頻寬提升的可能方案。

1. OCS 與傳統電交換機的本質差異：挑戰「光鏈路預算」的極限

傳統電交換機（EPS）在網路的每一次傳輸都會進行「光-電-光（O-E-O）」轉換，訊號在每個節點都會被重新生成與放大。然而，OCS 是一個純物理的「全光」設備。它只負責反射光線，不生成、不放大、也不再生訊號。

這種特性雖然省下了驚人的功耗，卻帶來了嚴峻的物理挑戰：光鏈路預算（Optical Link Budget）的急遽消耗。

OCS 內部的 MEMS 微鏡陣列在進行光束偏轉時，會產生不可避免的插入損耗（Insertion Loss）。為了在不經過放大的情況下「硬扛」這段損耗，訊號從伺服器端發出時就必須極其「強大且乾淨」。這直接影響了 OCS 專屬模塊的全面進化：從短距多模（DR）轉向單模長距（FR/LR），並強制搭載更高功率的雷射器，以確保訊號能穿透層層鏡片直達終點。

2. OCS 光模塊的特異化：為何 WDM 與 Circulator 缺一不可？

為了適應 OCS 的點對點全光直連架構，光模塊內部引入了兩大核心設計，這也成了 OCS 專屬模塊與一般模塊的分水嶺。

1. WDM (波分復用)：壓榨單纖頻寬的極限

• 運作邏輯： 想像光纖是一條單線道公路。WDM 技術利用三稜鏡原理，將不同波長（顏色）的雷射信號併入同一根光纖傳輸，到終點後再解復用分開。

• 核心價值： 在不增加昂貴實體光纖的前提下，倍增傳輸頻寬（如 800G 甚至 1.6T）。這是應對 AI 叢集流量暴增時，成本最低、效率最高的擴容方案。

2. Circulator (光環行器)：OCS 模塊的「靈魂」

傳統光模塊通常是「雙纖」設計（一發一收）。但在 OCS 架構中，單纖雙向（BiDi）傳輸是絕對剛需。

• 運作邏輯： Circulator 就像光訊號的「單行道圓環」。它強制光只能單向循環（Port 1 進 2 出、2 進 3 出）。這讓發射與接收信號能在同一根主光纖裡「完美會車」，互不干擾。

• 若缺乏 Circulator 的致命代價：

  1. 光纖數量災難性膨脹： 若維持雙纖，數萬個節點的連線會讓資料中心的光纖數量翻倍，不僅是理線噩夢，更會嚴重阻擋氣流影響散熱。

  2. OCS 端口利用率腰斬： OCS 的微鏡端口極其昂貴。若一條連線要佔掉兩個端口（一發一收），會直接讓這台天價交換機的容量減半，這在商業決策上是不可接受的。 簡言之，沒有 Circulator，OCS 的設備成本與部署難度將直接翻倍。

3. 邁向 1.6T 時代的頻寬之壁：IMDD 面臨物理極限

當我們試圖衝向 1.6T 甚至 3.2T 時，底層調變技術正撞上一堵「物理牆」。根據 Google 的研究，目前兩大架構：

1. IMDD (強度調變/直接偵測)

   • 優勢： 架構簡單、成本極低，是目前 800G PAM4 的主流。

   • 劣勢（致命傷）： 對色散（CD）的容忍度極差。在 100G 速率下可跑 4 公里，但到了 400G 單波速率，色散會導致訊號嚴重失真，距離被腰斬至僅剩 0.25 公里，完全無法滿足資料中心規模擴展的需求。

2. Coherent (相干光通訊技術)

   • 優勢： 效能怪獸。同時利用光的強度、相位與偏振來乘載資訊，並配合 DSP 進行電子色散補償（EDC），能完美抵銷物理干擾，靈敏度高出 10dB。

   • 劣勢： 架構過於複雜，且功耗與成本極高，過去僅用於跨海纜線。

這也正是 Coherent-Lite（輕量化相干技術） 應運而生的契機：它旨在保留相干技術的優點，同時透過「減配優化」來降低功耗與成本。

4. 什麼是 Coherent-Lite？「降維打擊」的相干技術

Coherent-Lite 是專為資料中心內部（< 2km）與校園網路（2-10km）優化的技術。它的核心哲學是：用「減法」換取商業可行性。

1. 打破物理枷鎖：為何非 Coherent-Lite 不可？

當 1.6T 的單波速率撞上色散高牆，Coherent-Lite 展現了降維打擊的優勢：

• 免疫色散限制： 消除 IM-DD 的痛點，允許在資料中心環境使用更高色散但低損耗的波長。

• 提升 10dB 靈敏度： 讓訊號跑得更遠，並降低 FEC（糾錯）負擔，達成 AI 叢集渴望的「極低延遲」。

2. 架構對決：光學做減法，晶片做加法

收發器架構對比

CWDM4 與 Coherent 的比較細節

頻寬受限下的組件挑戰

傳統 IM-DD 路線（如 CWDM4）需要 4 顆雷射與調變器，光學 BOM 成本隨頻寬線性成長。而 Coherent-Lite 透過偏振復用技術，僅需 1 顆雷射。它將問題從難以微縮的光學元件轉移到了受惠於摩爾定律的 DSP 晶片上。

3. 半導體經濟學：享受 CMOS 的「次線性」增長紅利

相干技術受惠於 CMOS 的進步

相干傳輸的未來擴展性優勢

Google 的戰略很明確：「簡單的光學，配上聰明的電子」。隨著工藝進向 3nm，DSP 的成本與功耗增長速度（Sublinear）遠低於頻寬成長速度。速率越高，Coherent-Lite 的性價比就越具統治力。

4. 落地前的硬仗：類比元件與驅動電壓的挑戰

相干發射器需要更高的驅動電壓

挑戰在於**「調變器效率」**。16-QAM 需要更大的驅動擺幅（Drive Swing）。

需要低損耗、高效率的調變器

調變器損耗對相干鏈路的影響

相干技術需要雙倍的驅動電壓，這在矽光子領域是個挑戰。但若能攻克高效驅動器，相干技術能獲得高達 5dB 的鏈路預算優勢，這正是克服 OCS 插入損耗的最佳利器。

5. 終極型態：專為資料中心量身定製

Coherent-Lite 為了在插槽內取代傳統模組，必須捨棄昂貴的電信思維：不需要全 C-band 可調式雷射，改用固定波長或少通道 WDM 雷射，並針對 10 公里內環境對 DSP 進行最嚴苛的功耗「瘦身」。

標準化與實戰驗證：Marvell 與 Ciena 的 Coherent-Lite 佈局

業界巨頭已經開始將 Coherent-Lite 技術落地於真實的 AI 基礎設施中。

Marvell 與 Lumentum 的 Scale-up 革命 (OFC 2026) 在 2026 年的 OFC 大會上，Marvell 與 Lumentum 展示了如何利用 OCS 構建下一代 AI 擴充基礎設施。這場演示將 Marvell 的 Aquila 1.6T Coherent-Lite DSP（專為短距 O-band 優化） 與 Lumentum 的 R300 OCS 交換機 完美結合。透過建立直接的光學路徑，避免了 OEO 轉換，該方案宣稱可減少高達 98% 的交換延遲，並在大規模 GPU 叢集中節省超過 65% 的能耗，徹底突破了傳統封包網路的「網路牆」。

Ciena 的 WaveLogic 6 Nano (WL6n) 1.6T 應用場景 光通訊大廠 Ciena 則進一步定義了 Coherent-Lite 的四大核心應用場景：

1. 資料中心內部 1.6T 連接： 直接用於 Switch-to-Switch 連接，解決 PAM4 在 1.6T 速率下的距離與功耗瓶頸。

   

2. 高密度 AI 叢集互連： 部署於後端網路（Backend Network），以更精簡的收發器數量達成 1.6T 傳輸，支撐大規模 AI 訓練的極高頻寬密度。

   

3. 校園級互連 (Campus Connectivity)： 針對相距 2 至 20 公里內的多個資料中心建築，提供剔除冗餘功能、低耗能的專屬互連方案。

   

4. 標準插拔式演進： 提供符合 QSFP-DD 和 OSFP 標準的插拔式模組，讓雲端供應商能無縫從既有平台升級至 1.6T。

   

【結語：從傳輸管道到架構重塑】

光學技術正經歷一場深刻的典範轉移。從 Circulator 與 WDM 在 OCS 架構中的「神救援」，到 Coherent-Lite 對相干技術的「降維打擊」，這都不僅僅是規格的提升。

在 1.6T 時代，光學不再只是兩點之間的「傳輸管道」，它已成為 AI 算力基礎設施的核心「架構層」。透過將物理層的損耗轉交給強大的 DSP 處理，並利用 OCS 實現靈活的拓撲切換，我們正在進入一個功耗、延遲與頻寬能達成完美平衡的全光網路時代。