光交叉连接设备（OXC）是一种无需将高速光信号转换为电信号即可实现光纤输入端与输出端之间切换的网络设备。其核心原理是通过光子交换矩阵将波分复用（WDM）信号中的各个波长通道从任意输入光纤路由至任意输出光纤，通常需先通过解复用器分离波长，再经交换矩阵定向传输，最后通过复用器重新合波输出。由于信号全程保持在光域（即”透明交换”），OXC能够保持数据速率和协议透明性。这种全光路由技术通常由软件定义网络（SDN）控制器电子化控制，可实现带宽动态分配和路径恢复，无需人工跳纤操作。
在现代光纤网络中，OXC通过动态波长路由显著提升了网络弹性和容量利用率。在电信骨干网中，OXC作为大型光交换节点，承担波长通道的梳理与调度功能；在数据中心互联（DCI）场景中，则支持100-400G高速光通道的大容量、低时延组网。例如，中国电信四川构建的”全光立方”骨干网采用12个OXC节点实现32度高容量光通道梳理，相比传统ROADM站点节省80%空间。在数据中心领域，OXC通过光纤到光纤的全光交换，可在毫秒级重构光路，时延低于光电混合（OEO）交换方案，为云服务和高性能计算提供支持。
机械（光纤 / 棱镜）交换机：早期 OXC 和小型交换机采用机械光学结构。它们通过电动棱镜、反射镜或可移动光纤平台物理重路由光信号。例如，1×N 机械交换机可通过倾斜反射镜或移动光纤将输入连接到选定的输出。机械交换机的插入损耗极低（通常 < 1dB），光学性能优异。商用 1×2 光机械交换机的典型插入损耗约 0.5dB（最大约 1dB），切换时间约 8ms。然而，其端口数量有限（最多几十个），活动部件需要精确对准，且频繁重新配置可能降低可靠性。因此，纯机械 OXC 目前主要用于小众或 legacy 应用，而非大型骨干节点。
基于微机电系统（MEMS）的交换机：MEMS 交换机利用微小的可移动反射镜阵列控制光路。在典型的自由空间 MEMS OXC 中，每根输入光纤被准直为二维微小反射镜阵列，这些反射镜将每束光导向选定的输出光纤。MEMS 交叉连接的端口数量远高于机械交换机 —— 如今可达数千个端口。例如，实验性 MEMS 矩阵已实现超过 1000×1000 光纤的规模，光纤到光纤的平均插入损耗约 2.1dB，最坏情况约 4.0dB。一款 1296×1296 MEMS 交换机的插入损耗约 5.1±1.1dB，切换时间约 5ms。总体而言，MEMS OXC 损耗低、波长透明性好，且具有可扩展性（大致与 N² 个反射镜元件成正比）。切换时间通常为毫秒级（大型阵列约几毫秒），而小型集成 MEMS 器件可实现亚毫秒（微秒级）重新配置，但端口数量较小。其主要缺点是存在活动部件（反射镜在多次循环后可能疲劳），且规模增大时成本有所上升。MEMS OXC 已成为研究和部分生产系统中高维度全光交换机的行业主力。
液晶（LCoS）交换机：硅基液晶（LCoS）是一种源自显示技术的固态空间光调制器（SLM）。在 LCoS 交换机中，包含液晶分子的像素阵列对入射光施加相位模式，通过衍射控制光路。LCoS 器件常用于 ROADM 的波长选择开关（WSS），但也可作为 OXC 的核心实现波长级操作。LCoS 能实现精细粒度（每波长控制）并支持高级功能（无色 / 灵活栅格）。然而，基于 LCoS 的交换机通常速度较慢、损耗较高：切换速度约几十毫秒（液晶重新定向需毫秒级时间），典型插入损耗为几 dB 到约 10dB（例如，1×10 LCoS WSS 设计的耦合损耗约 0.5-1dB，加上几 dB 的光栅损耗）。实际上，LCoS OXC 通常通过在背板中组合多个 1×N WSS 模块实现（如下所述）。其优势是灵活性极高（波长路由、无色 / 无向 / 上下路），且支持扩展 C+L 波段；但相比 MEMS，复杂度、成本和光损耗均更高。
基于波长选择开关（WSS）的架构：OXC 也可通过将多个 WSS 模块与光背板互联构建。在此架构中，每个光纤到光纤的连接通过 1×N 或 M×N WSS 板的波长选择路径实现。这类架构实际上将 LCoS（或 MEMS）WSS 引擎与灵活的背板布线相结合。例如，单个 “上下路” 板可能包含 1×16 LCoS WSS；多个此类板卡加上配备 WSS 的线卡可构成 M×N OXC。其核心特点是粒度化的每波长路由：每个 WSS 可将单个波长下路或传输至任意维度，实现无色、无向、无冲突（CDC）操作。性能方面，基于 WSS 的 OXC 继承了 LCoS 的特性（切换时间约 10-50ms，每次传输的插入损耗为几 dB）。通过聚合多个 WSS 端口，它们可实现极高的有效端口数量（例如，32 维度 OXC 配备 32 个 WSS 上下路插槽，可交叉连接超过 1000 个波长）。例如，现代中国 OXC 采用 “TWIN 1×N WSS” 板卡（LCoS 1×N 加放大器），每块板卡处理 32 个波长。总之，基于 WSS 的设计在灵活性（精细粒度、灵活栅格、C+L 波段）方面达到极致，但相比简单的光纤交换架构，速度和光损耗更具劣势。
OXC 矩阵的关键指标包括切换时间、插入损耗（IL）、端口密度（矩阵规模）、串扰和可扩展性：
- 切换时间：机械和 MEMS OXC 的切换时间通常为毫秒级。例如，1×2 光机械交换机的重新配置时间≲8ms，大型 MEMS 矩阵约 5-10ms（集成波导的 MEMS 切换速度更快，≪1ms，但规模较小）。LCoS/WSS 交换机速度较慢：由于液晶的响应特性，重新配置时间为几十毫秒。随着网络发展，切换速度主要在恢复场景中起作用：毫秒级足以满足多数骨干网应用，而前沿研究正探索基于硅光子和新材料的微秒级甚至更快的交换机。
- 插入损耗：全光交换的插入损耗大于 0dB。小型机械交换机的插入损耗≲0.6-1dB，而大型 MEMS 矩阵为几 dB（例如，1296 端口 MEMS OXC 的 median 插入损耗约 5.1dB）。端口数量越多，损耗通常越大（每增加一个反射镜或耦合阶段都会增加损耗）。LCoS/WSS 器件每次传输的插入损耗为几 dB（例如，商用 1×10 LCoS WSS 的典型信道插入损耗约 5-7dB）。串扰也是一个问题（MEMS OXC 的最坏情况串扰为 – 30 至 – 40dB）。OXC 设计的目标是将插入损耗控制在几 dB，并将偏振相关损耗降至最低。
- 端口密度与可扩展性：MEMS OXC 在高密度扩展方面占主导地位：自由空间 MEMS 已实现约 1000×1000 的交换矩阵，片上波导 MEMS 已报道 240×240 的规模。机械交换机的端口数量上限为几十个（如 8×8）。LCoS/WSS 通过聚合多个波长而非端口实现扩展：单个 1×N WSS 的 N≈16-20 个输出，但数十块此类板卡可实现极高的总吞吐量（例如，32 维度 OXC 配备 32 个 WSS 插槽，可交叉连接数千个波长）。实际上，当前商用 OXC 单元支持几十个光纤维度：中国系统已出货 16、20 和 32 维度 OXC（每个维度对应一根光纤）。随着核心枢纽的发展，未来系统将推向 64 或 128 维度。
从历史上看，光网络始于手动跳线盘，通过物理重新插拔光纤来重路由流量。首批自动化 OXC（20 世纪 80-90 年代）是类似于机械跳线柜的光机械交换机。后来，它们被不透明（OEO）交叉连接（信道级电子交换）补充。21 世纪 00 年代，无色 / 无向 ROADM 的出现引入了有限的每波长全光重新配置，但 ROADM 仍需要大量内部光纤连接。现代可编程 OXC 采用全光背板和电子控制平面（通常在 SDN 控制下），实现光纤连接的完全自动化。与手动方式相比，如今的 OXC 通过软件实现瞬时（毫秒级）交叉连接，消除了人为错误。这一演进 —— 从固定跳线盘到灵活可控的 OEO 交换机，再到如今的透明 OXC—— 由 MEMS、LCoS 和光子集成电路（PIC）的进步推动。
OXC 目前正部署于全球下一代网络中。在中国，三大运营商均已在核心和城域骨干网中推出 OXC。例如，自 2018 年起，它们引入 16/20/32 维度 OXC 节点替代 ROADM 站点。在中国电信四川公司的省级骨干网中，构建了以 12 个 OXC 节点为核心的全网状 “光立方” 网络，实现了高价值流量的一跳传输。核心站点容量不断提升：中国电信太原枢纽的光连接维度已达 57，超过当前 WSS 的 32 维度限制，这意味着接下来需要 64 或 128 维度 OXC。运营商还将 OXC 用于城域枢纽（核心通常为 16-32 维度，边缘为 8-16 维度）。
在全球范围内，随着骨干网容量激增，OXC 的采用率不断扩大。商用系统现已支持 Pb/s 级矩阵（例如，40λ×40Gb/s×40 端口 = 2.07Pb/s 的 MEMS 交换机）。功耗高、光纤密集的 ROADM 正被单机柜 OXC 取代：某厂商报告，20 维度 OXC 的占地面积仅为 20 维度 ROADM 的 1/3。在数据中心中，光电路交换机（OXC 的一种形式）正用于分布式计算的试验，而实际数据中心互联的统计数据也在逐步显现。在容量趋势上，OXC 节点数量将随骨干网升级而增长。例如，日本电报电话公司（NTT）等全球运营商正研究每波长 200G 及以上的 OXC，行业分析师预测，基于 SDN、高维度的 OXC 将推动数十亿美元的市场。
