Optische circuitschakelaar: licht dat zijn eigen weg baant zonder om te zetten in elektriciteit

Bijgewerkt: 5 augustus 2026 · 6 min leestijd

Stel je een spoorwegwissel voor. Een trein rijdt een station binnen en de wissel legt fysiek een nieuw stuk rails neer, zodat de hele trein in één keer naar het juiste spoor rijdt. Niemand hoeft de trein te stoppen, uit te laden en opnieuw in te laden op een ander voertuig. Een optische circuitschakelaar (optical circuit switch, afgekort OCS) doet precies dit, maar dan met licht in glasvezelkabels: hij legt een fysieke lichtverbinding aan tussen twee punten en laat het licht daar gewoon doorheen stromen, zonder de inhoud ooit te "lezen".

Dat klinkt misschien vanzelfsprekend, maar in de meeste datacenters en netwerken werkt het anders. Daar wordt binnenkomend licht eerst omgezet in elektrische signalen, verwerkt door een chip die bepaalt waar de data naartoe moet, en vervolgens weer omgezet in licht voor de volgende sprong. Dat gebeurt duizenden keren per seconde en kost energie en tijd. Een optische circuitschakelaar slaat die omzetting over: het licht blijft van begin tot eind licht. Dat maakt het aantrekkelijk voor grote rekencentra en netwerken die enorme hoeveelheden data razendsnel en zuinig willen verplaatsen, bijvoorbeeld voor de training van AI-modellen.

Wat is het precies?

Een gewoon netwerk bestaat uit pakketschakelaars (packet switches of routers): apparaten die elk datapakketje afzonderlijk bekijken, het adres lezen en beslissen naar welke uitgang het moet. Dit heet elektronische pakketschakeling en vereist dat optische signalen worden omgezet naar elektrische signalen en weer terug — in vakjargon een O-E-O-conversie (optisch-elektrisch-optisch). Elke conversie kost energie, voegt vertraging (latency) toe en beperkt hoeveel data tegelijk door een chip kan.

Een optische circuitschakelaar werkt fundamenteel anders. In plaats van elk pakketje te inspecteren, maakt hij een doorlopend lichtpad tussen een ingang en een uitgang, alsof er een fysieke kabel wordt omgelegd. Zodra dat pad staat, kan er ongelimiteerd veel data doorheen stromen zonder dat de schakelaar ooit naar de inhoud kijkt. De meest gebruikte techniek hiervoor heet MEMS (micro-elektromechanische systemen): piepkleine spiegeltjes, vaak niet groter dan een zandkorrel, die op twee assen kunnen kantelen. Een lichtbundel uit een glasvezel valt op zo'n spiegeltje, dat de bundel in een precieze hoek weerkaatst naar een tweede spiegeltje en vervolgens naar de juiste uitgaande glasvezel. Met honderden van zulke spiegeltjes op een chip kan elke ingang met elke uitgang worden verbonden.

Het grote verschilpunt met pakketschakeling zit in snelheid en flexibiliteit op verschillende tijdschalen. Een elektronische pakketschakelaar kan de bestemming van elk pakketje in nanoseconden veranderen. Een MEMS-gebaseerde optische schakelaar heeft doorgaans milliseconden nodig om een spiegeltje te herpositioneren — traag vergeleken met elektronica, maar de verbinding die daarna ontstaat, is extreem efficient: geen conversie, geen datalimiet per poort, en veel minder energieverbruik per verplaatste bit. Optische circuitschakeling is daarom vooral geschikt voor verbindingen die relatief lang blijven staan, van seconden tot maanden, in plaats van per pakketje wisselen.

Wat wil men ermee bereiken?

De belangrijkste drijfveer is energie en warmte. Datacenters van grote clouddiensten en AI-bedrijven verbruiken enorme hoeveelheden stroom, en een fors deel daarvan gaat naar de netwerkapparatuur die data tussen servers verplaatst, niet alleen naar de rekenchips zelf. Door lichtpaden rechtstreeks te schakelen in plaats van via elektronica, kan een deel van dat energieverbruik en die warmteontwikkeling worden vermeden.

Een tweede doel is flexibiliteit in de netwerktopologie, oftewel de manier waarop servers met elkaar bedraad zijn. Traditioneel wordt een datacenternetwerk vast bedraad volgens een bepaald patroon. Met optische circuitschakelaars kan die bedrading softwarematig worden herconfigureerd: als een groep servers voor een bepaalde taak — bijvoorbeeld het trainen van een groot taalmodel — tijdelijk meer onderlinge bandbreedte nodig heeft, kan het netwerk zich als het ware herschikken zonder dat er een technicus fysiek kabels hoeft om te steken.

Ten derde speelt betrouwbaarheid mee. Wanneer een schakelkast, kabel of rek uitvalt, kan een optisch circuit relatief snel worden omgeleid, zodat het resterende netwerk toch optimaal blijft functioneren. Dat is vooral waardevol in de zeer grote, dicht opeengepakte rekenclusters die worden gebruikt voor kunstmatige intelligentie, waar duizenden chips voortdurend met elkaar moeten communiceren.

Voorbeelden uit de praktijk

Google Jupiter en Apollo (sinds ongeveer 2017, verder uitgebreid rond 2022): Google beschreef in wetenschappelijke publicaties, waaronder de "Jupiter Evolving"-paper die het bedrijf presenteerde op de netwerkconferentie SIGCOMM in 2022, hoe het al jarenlang MEMS-gebaseerde optische circuitschakelaars inzet in zijn datacenternetwerken om de topologie dynamisch aan te passen aan de vraag.

Google TPU v4-supercomputer (gepresenteerd in 2023): in een onderzoekspublicatie die Google indiende bij de vakconferentie ISCA, beschreef het bedrijf hoe zijn TPU v4-rekenclusters voor AI-training gebruikmaken van optische circuitschakelaars om de verbindingen tussen groepen chips herconfigureerbaar te maken, wat volgens de auteurs bijdraagt aan betere benutting en fouttolerantie van het systeem.

Microsoft en academische samenwerking (onderzoeksproject "Sirius", gepubliceerd rond 2020): onderzoekers van onder meer MIT en de University of Washington werkten samen met Microsoft aan een experimenteel datacenternetwerk dat vrijwel volledig steunt op optische circuitschakeling in plaats van elektronische switches, als proof-of-concept voor toekomstige clouddatacenters.

NTT's "IOWN"-initiatief (gelanceerd rond 2019–2020, doelstelling 2030): het Japanse telecombedrijf NTT werkt met partners aan een "All-Photonics Network", een netwerkvisie waarin data zo veel mogelijk als licht blijft reizen, van de rekenkern tot over lange afstand, met optische schakeltechniek als een van de bouwstenen.

Commerciële leveranciers zoals Calient Technologies en Polatis (het laatste sinds 2020 onderdeel van het Zwitserse Huber+Suhner): deze bedrijven verkopen al langer, sinds begin jaren 2000, MEMS-gebaseerde optische circuitschakelaars aan telecomoperators en later ook aan clouddatacenters, oorspronkelijk vooral voor het flexibel doorschakelen van glasvezelverbindingen in lange-afstandsnetwerken.

Hoe ver is de techniek?

Optische circuitschakeling is geen laboratoriumcuriositeit meer: het wordt al jaren in productieomgevingen gebruikt, met name in de datacenters van enkele grote technologiebedrijven en in telecomnetwerken voor zogeheten ROADM's (reconfigureerbare optische add-drop multiplexers, apparatuur die golflengtes van licht kan door- of afschakelen op knooppunten in glasvezelnetwerken). In die zin is de kerntechnologie volwassen.

Waar het minder ver is, is de bredere toepassing binnen één rekencluster als vervanger van alle elektronische schakeling. De relatief trage herconfiguratietijd van MEMS-spiegeltjes — milliseconden in plaats van nanoseconden — blijft een fundamentele beperking: optische circuitschakelaars zijn geschikt voor verbindingen die een tijdje blijven staan, maar niet voor het razendsnel doorschakelen van individuele datapakketjes zoals elektronische routers dat doen. Onderzoekers experimenteren daarom met snellere schakeltechnieken, bijvoorbeeld op basis van vloeibare kristallen of geheel andere fotonische chips, maar die zijn nog niet op grote schaal commercieel beschikbaar of net zo betrouwbaar als beproefde MEMS-systemen.

Een ander obstakel is de integratie met bestaande software en beheersystemen: netwerken herconfigureren zich niet vanzelf, daarvoor is slimme aansturingssoftware nodig die precies weet wanneer en hoe een lichtpad moet worden omgelegd. Grote bedrijven zoals Google bouwen die software zelf, wat de techniek voorlopig vooral toegankelijk maakt voor partijen met grote engineeringteams en minder voor kleinere datacenters.

Wie werken eraan?

Aan de kant van de grote cloud- en AI-bedrijven zijn vooral Google en Microsoft publiekelijk actief met eigen onderzoek en productie-implementaties van optische circuitschakeling in hun datacenters. Ook Meta (het moederbedrijf van Facebook) publiceert over fotonische netwerktechnologie voor toekomstige AI-infrastructuur, al is minder bekend over de mate waarin dit al in productie draait.

Op het gebied van hardware zijn gespecialiseerde leveranciers zoals Calient Technologies (Verenigde Staten) en Polatis, nu onderdeel van het Zwitserse Huber+Suhner, al langer actief met commerciële MEMS-schakelaars. Ook Lumentum, een Amerikaanse fabrikant van fotonische componenten, levert bouwstenen voor optische schakeltechniek.

Op onderzoeksgebied lopen academische groepen aan onder meer het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en de University of Washington voorop, vaak in samenwerking met de industrie. In Japan trekt telecombedrijf NTT met zijn IOWN-initiatief een langetermijnvisie op fotonische netwerken, met steun van partners als Intel en Sony. Ook Chinese onderzoeksinstituten en telecombedrijven publiceren in toenemende mate over fotonische schakeltechniek, al is voor buitenstaanders lastig te beoordelen hoe ver die projecten in productie zijn.