在智能光網(wǎng)絡向城域網(wǎng)下沉的浪潮中，MEMS光開關(guān)正成為重構(gòu)網(wǎng)絡靈活性的關(guān)鍵支點

隨著互聯(lián)網(wǎng)應用爆發(fā)式增長，基于ROADM（可重構(gòu)光分插復用器）的智能光網(wǎng)絡建設進入高速發(fā)展期。新一代CDC（無色、無方向、無競爭）ROADM的主流方案中，1×N端口WSS（波長選擇開關(guān)） + N×M端口MCS（多播開關(guān)）的組合憑借顯著的成本優(yōu)勢，已成為電信運營商和設備制造商的優(yōu)選架構(gòu)（圖1）。這一趨勢推動市場對MCS光開關(guān)的需求激增，尤其當ROADM技術(shù)從骨干網(wǎng)向城域網(wǎng)下沉時。

圖1：基于WSS+MCS的CDC ROADM節(jié)點架構(gòu)（圖示為邏輯示意圖）

一、MCS光開關(guān)的核心構(gòu)造與挑戰(zhàn)

典型的8×16端口MCS光開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其核心由兩部分構(gòu)成：

1. 8個1×16端口PLC光分路器：采用平面光波導（PLC）技術(shù)制備，實現(xiàn)光信號的高效分路

2. 16個8×1端口光開關(guān)：完成光路的動態(tài)選通，其中1×N端口光開關(guān)是性能關(guān)鍵，主流采用MEMS技術(shù)

圖2：8×16端口MCS光開關(guān)核心結(jié)構(gòu)組成

1×N MEMS光開關(guān)的核心組件極為精密（圖3）：

• MEMS微反射鏡：核心光束控制元件，通常貼裝于TO管座

• 準直透鏡：與TO管座通過管帽封裝成組件

• 多纖插針：在有源調(diào)試狀態(tài)下與前述光學組件精密對準并固定

圖3：1×N MEMS光開關(guān)核心光學引擎結(jié)構(gòu)

二、大端口數(shù)、低損耗設計的核心技術(shù)瓶頸

盡管圖3結(jié)構(gòu)看似簡潔，實現(xiàn)大端口數(shù)（N值大）且低損耗的1×N光開關(guān)面臨嚴峻物理限制：

1. 離軸損耗與像差矛盾：

o    最大損耗發(fā)生在離軸距離最大（△max）的端口，此處受離軸偏差影響最劇。

o    光學系統(tǒng)相對孔徑（△max/f，f為準直透鏡焦距）增大將導致像差顯著劣化。

o    單純增加焦距f雖可減小像差，卻會導致入射到MEMS微鏡上的準直光斑直徑增大：

（其中ω0為光纖模場半徑，ωc為微鏡光斑半徑）

2. 微鏡尺寸與偏轉(zhuǎn)角度的制約：

o    為保證99%的光斑能量覆蓋，微鏡直徑Φ需滿足Φ ≥ 3ωc。

o    MEMS工藝存在固有約束：微鏡直徑Φ與最大偏轉(zhuǎn)角θmax相互制約。典型值如Φ=1mm時，θmax僅為±4°。

o    核心矛盾：增大Φ可容納更大光斑（允許更長焦距f以減小像差），但會導致θmax減小（θmax ∝ 1/Φ），反而限制了可實現(xiàn)的端口數(shù)N。因此，單純增加f無法提升N。

三、突破端口限制的三大技術(shù)路徑

面對端口數(shù)提升的困境，行業(yè)主要攻關(guān)方向如下：

1. 多纖插針排列優(yōu)化與雙軸微鏡應用（圖4）：

o    傳統(tǒng)單軸方案（圖4左）：光纖呈單排線性排列，結(jié)構(gòu)簡單，但端口數(shù)受限（N較小）。

o    高密度雙軸方案（圖4右）：光纖呈二維陣列排布，顯著提升單位面積端口密度，允許更大的N值。代價是需采用更復雜、成本更高的雙軸MEMS微鏡實現(xiàn)二維光束偏轉(zhuǎn)。

圖4：單排線性排列(左) vs 二維陣列排列(右)及其對MEMS微鏡的要求

2. 光纖包層直徑縮減：

o    標準單模光纖包層直徑為125μm，通過精密化學腐蝕工藝可減薄至60-80μm。

o    更細的光纖允許在相同空間內(nèi)集成更多端口。

o    局限性：工藝控制難度大，成本高，且直徑縮減仍不足夠，通常將端口數(shù)限制在N≤16。

3. 高性能準直透鏡：

o    選用非球面透鏡或自聚焦透鏡（GRIN Lens）替代傳統(tǒng)的C-Lens（球面透鏡）。

o    這些透鏡具有更優(yōu)異的像差校正能力，能在相同相對孔徑下獲得更好的光束質(zhì)量，有利于支持更多端口或降低插入損耗。

四、城域網(wǎng)升級與科毅光通信的MEMS光開關(guān)解決方案

隨著運營商網(wǎng)絡轉(zhuǎn)型和用戶對靈活性的需求激增，基于WSS+MCS的ROADM已成為城域網(wǎng)建設的理想選擇。在此架構(gòu)中，高性能的1×N MEMS光開關(guān)是MCS實現(xiàn)靈活多播功能的核心基礎(chǔ)器件。

廣西科毅光通信科技有限公司（www.www.noblecapitaluk.com） 深刻把握市場需求與技術(shù)前沿，依托自主研發(fā)實力，成功推出系列高性能MEMS光開關(guān)產(chǎn)品，包括極具競爭力的1×48通道MEMS光開關(guān)。該產(chǎn)品核心技術(shù)優(yōu)勢在于：

• 先進MEMS技術(shù)平臺：基于硅基微機電系統(tǒng)，實現(xiàn)微鏡的精確、可靠驅(qū)動。

• 低損耗自由空間光路：優(yōu)化的光學設計與精密裝調(diào)，確保全通道低插入損耗與高一致性。

• 超快切換速度：毫秒級切換時間，滿足動態(tài)業(yè)務調(diào)度需求。

• 緊湊高可靠性封裝：工業(yè)級設計，適應嚴苛環(huán)境，體積小巧易于集成。

五、廣闊應用場景

科毅光通信的1×N MEMS光開關(guān)憑借其卓越性能，廣泛應用于：

1. 光線路監(jiān)控（OLP/OSM）：實現(xiàn)監(jiān)測信號的靈活選路，保障網(wǎng)絡可靠運行。

2. OADM（光分插復用器）：核心光路切換單元，支撐靈活波長上下路。

3. 光網(wǎng)絡測試與測量儀器：提供快速、可編程的光路連接配置。

4. 下一代CDC ROADM：構(gòu)成MCS模塊，實現(xiàn)無色、無方向、無競爭的光交叉連接。

5. 數(shù)據(jù)中心光互連（DCI）：構(gòu)建靈活、可重構(gòu)的光傳送平面。

廣西科毅光通信科技有限公司（www.www.noblecapitaluk.com） 是國家級高新技術(shù)企業(yè)，專注于高端光通信無源器件的研發(fā)、制造與銷售。公司核心產(chǎn)品線涵蓋：

• 高密度光纖連接器：滿足數(shù)據(jù)中心高速互連需求

• WDM波分復用器：包括CWDM, DWDM, LWDM等

• PLC光分路器：全系列分光比，F(xiàn)TTx核心器件

• MEMS光開關(guān)：1xN, 2xN, MxN矩陣，高可靠性

科毅產(chǎn)品已深度應用于光纖到戶(FTTH)、5G/6G移動通信前傳/中傳/回傳、大型互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(IDC)、國防通信等國家信息基礎(chǔ)設施領(lǐng)域。公司持續(xù)投入MEMS光開關(guān)等前沿技術(shù)的研發(fā)，致力于為客戶提供高性能、高可靠性的光互連解決方案，賦能智能光網(wǎng)絡建設。