光通信時(shí)代，光開關(guān)的核心需求與技術(shù)演進(jìn)

隨著現(xiàn)代光通信技術(shù)與密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)的迅猛發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)撵`活性、穩(wěn)定性和高效性提出了更高要求。作為光通信系統(tǒng)中的核心器件，光開關(guān)承擔(dān)著光路切換、信號(hào)上下路的關(guān)鍵作用，其性能直接影響整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量與運(yùn)行效率。在數(shù)據(jù)中心互聯(lián)、5G基站前傳/回傳、骨干網(wǎng)建設(shè)等場(chǎng)景中，傳統(tǒng)機(jī)械光開關(guān)和微機(jī)電系統(tǒng)MEMS光開關(guān)因存在移動(dòng)部件，面臨著穩(wěn)定性不足、開關(guān)速度慢、集成度低等瓶頸，已難以滿足高密度、高速率的通信需求。

廣西科毅光通信科技有限公司（官網(wǎng)：www.www.noblecapitaluk.com）深耕光通信器件領(lǐng)域，聚焦于高性能光開關(guān)的研發(fā)與生產(chǎn)。針對(duì)傳統(tǒng)光開關(guān)“一對(duì)一”通信的局限性，我們基于平面光波線路（PLC）技術(shù)，成功研發(fā)出新型波導(dǎo)矩陣光開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了一對(duì)多、多對(duì)多的靈活通信方式，其低插入損耗、快速響應(yīng)、高穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)，為光網(wǎng)絡(luò)升級(jí)提供了核心支撐。本文將詳細(xì)解析該新型波導(dǎo)矩陣光開關(guān)的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，帶您深入了解光開關(guān)技術(shù)的前沿突破。

一、核心設(shè)計(jì)理念：突破傳統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多路靈活通信

傳統(tǒng)矩陣光開關(guān)多為空分型開關(guān)，缺乏共享通信媒體，物理線路相互獨(dú)立，僅能實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的信號(hào)傳輸。這意味著當(dāng)一個(gè)用戶接收信息時(shí)，其他用戶無法同時(shí)獲取同一信號(hào)，嚴(yán)重制約了信息傳遞的及時(shí)性與靈活性。在數(shù)據(jù)共享、多路信號(hào)分發(fā)等場(chǎng)景中，這種局限性尤為突出。

為解決這一痛點(diǎn)，科毅光通信的研發(fā)團(tuán)隊(duì)以馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）為核心，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了兩種功能差異化的開關(guān)單元，通過矩陣網(wǎng)絡(luò)組合實(shí)現(xiàn)1:k（k>1）的多路連接功能，徹底打破了傳統(tǒng)光開關(guān)的通信限制。該設(shè)計(jì)的核心邏輯在于利用MZI的功率分配特性，結(jié)合熱光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)控，讓單個(gè)輸入信號(hào)可靈活分配至多個(gè)輸出端口，或多個(gè)輸入信號(hào)按需切換至同一輸出端口，真正實(shí)現(xiàn)一對(duì)多、多對(duì)多的高效通信。

二、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)解析：MZI單元與Banyan網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新組合

2.1MZI基本單元結(jié)構(gòu)與工作原理

新型波導(dǎo)矩陣光開關(guān)的核心單元為優(yōu)化設(shè)計(jì)的馬赫-曾德爾干涉儀（MZI），其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由兩個(gè)3dB耦合器和兩條等長(zhǎng)的波導(dǎo)臂組成，其中一條波導(dǎo)臂表面蒸鍍金屬薄膜作為加熱器。

MZI的工作原理基于熱光效應(yīng)與光的干涉特性：當(dāng)光信號(hào)從輸入端進(jìn)入第一個(gè)3dB耦合器后，功率被均勻分配至兩條波導(dǎo)臂。通過對(duì)加熱器加電，可改變對(duì)應(yīng)波導(dǎo)臂的折射率，進(jìn)而使兩臂傳輸?shù)墓庑盘?hào)產(chǎn)生相位差（相位差公式：Δφ=2π/λ?Δn?L，其中λ為真空中波長(zhǎng)，Δn為折射率變化，L為加熱器長(zhǎng)度）。

根據(jù)相位差的不同，輸出端可實(shí)現(xiàn)兩種核心功能：

1.      光開關(guān)a：當(dāng)加電后相位差Δφ=π時(shí)，光信號(hào)從與輸入端口同側(cè)的輸出端（1'）輸出，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的直接切換；

2.      光開關(guān)b：當(dāng)加電后相位差Δφ=π/2時(shí)，光信號(hào)功率被平均分配至兩個(gè)輸出端（1'和2'），實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多路分發(fā)。

這種雙功能MZI單元的設(shè)計(jì)，為后續(xù)矩陣光開關(guān)的多路連接能力奠定了基礎(chǔ)，也是科毅光通信新型波導(dǎo)矩陣光開關(guān)的核心技術(shù)亮點(diǎn)之一。

2.22×2多端口輸出光開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于光開關(guān)a和光開關(guān)b的組合，我們?cè)O(shè)計(jì)了2×2多端口輸出光開關(guān)，其結(jié)構(gòu)與功能如圖3所示。該開關(guān)的核心優(yōu)勢(shì)在于輸入信號(hào)的多維度輸出選擇：?jiǎn)蝹€(gè)輸入信號(hào)可實(shí)現(xiàn)三種輸出模式——全功率從1'輸出、全功率從2'輸出、功率均分從1'和2'同時(shí)輸出；當(dāng)兩個(gè)輸入端均有信號(hào)時(shí)，單個(gè)輸出端口可靈活選擇任一輸入信號(hào)，徹底解決了傳統(tǒng)2×2光開關(guān)“一對(duì)一”的傳輸限制。

與普通2×2光開關(guān)相比，科毅光通信的2×2多端口光開關(guān)在信號(hào)分配靈活性上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。普通光開關(guān)僅能實(shí)現(xiàn)固定的光路切換，而新型開關(guān)通過MZI單元的協(xié)同控制，可讓多個(gè)輸出端口同時(shí)獲取同一輸入信號(hào)，避免了多端口對(duì)同一信號(hào)的競(jìng)爭(zhēng)，大幅提升了信號(hào)傳輸?shù)男逝c靈活性。

2.34×4多端口輸出光開關(guān)與Banyan網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)

為滿足更大規(guī)模的多路通信需求，我們將MZI單元進(jìn)一步拓展為4×4多端口輸出光開關(guān)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

該開關(guān)采用蝶形交叉連接的Banyan網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)Crossbar結(jié)構(gòu)，具有兩大核心優(yōu)勢(shì)：

1.損耗一致性更優(yōu)：Banyan網(wǎng)絡(luò)僅存在兩種交叉形式（斜波導(dǎo)與直波導(dǎo)交叉、兩反方向斜波導(dǎo)交叉），通過合理設(shè)計(jì)交叉角度（θ_bs=30°），可將交叉損耗控制在0.1dB以下，大幅降低 系統(tǒng)插入損耗；

2.集成度更高：Banyan網(wǎng)絡(luò)以更少的聯(lián)接級(jí)數(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)度，在縮小器件體積的同時(shí)，保證了開關(guān)的嚴(yán)格無阻塞特性，任一輸入信號(hào)可靈活切換至任一輸出端口，且支持多端口同時(shí)輸出。

通過OptiBPM軟件仿真，我們驗(yàn)證了交叉角度對(duì)損耗的影響：當(dāng)交叉角大于30°時(shí)，交叉損耗小于0.1dB，完全滿足光網(wǎng)絡(luò)對(duì)低損耗的要求（仿真曲線如圖5所示）。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓4×4光開關(guān)在保持高性能的同時(shí)，具備了小型化、高集成度的特點(diǎn)，可適應(yīng)不同場(chǎng)景的安裝需求。

三、技術(shù)優(yōu)勢(shì)：PLC技術(shù)與SiO?波導(dǎo)的完美結(jié)合

新型波導(dǎo)矩陣光開關(guān)的卓越性能，離不開平面光波線路（PLC）技術(shù)與硅基SiO?波導(dǎo)材料的深度融合。作為行業(yè)領(lǐng)先的光通信器件供應(yīng)商，科毅光通信在技術(shù)選型上充分考慮了性能、成本與兼容性，最終確定以PLC技術(shù)為核心，SiO?為波導(dǎo)材料，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面：

3.1穩(wěn)定性更強(qiáng)，無移動(dòng)部件磨損

PLC技術(shù)利用波導(dǎo)材料的物理效應(yīng)（熱光效應(yīng)）實(shí)現(xiàn)光路切換，無需任何移動(dòng)部件，從根本上解決了傳統(tǒng)機(jī)械光開關(guān)和MEMS光開關(guān)的磨損問題。在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，器件穩(wěn)定性更高，使用壽命更長(zhǎng)，可適應(yīng)數(shù)據(jù)中心、骨干網(wǎng)等場(chǎng)景的7×24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行需求。

3.2傳輸損耗低，兼容性優(yōu)異

硅基SiO?波導(dǎo)材料與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝兼容性好，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，有效控制生產(chǎn)成本。同時(shí)，SiO?波導(dǎo)的傳輸損耗極低（商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為0.1dB/cm），配合優(yōu)化的Banyan網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，讓2×2光開關(guān)插入損耗低至2.25dB，4×4光開關(guān)平均插入損耗僅4.3dB，遠(yuǎn)優(yōu)于行業(yè)平均水平。

3.3開關(guān)速度快，響應(yīng)及時(shí)

通過優(yōu)化MZI單元的加熱器設(shè)計(jì)（鈦金屬薄膜，長(zhǎng)3.3mm，寬20μm），新型波導(dǎo)矩陣光開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間小于1ms，可快速完成光路切換，滿足高速光網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)調(diào)度需求。在突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、動(dòng)態(tài)光路調(diào)整等場(chǎng)景中，能夠精準(zhǔn)、及時(shí)地響應(yīng)控制指令。

3.4集成度高，體積小巧

基于PLC技術(shù)的集成化設(shè)計(jì)，讓2×2、4×4光開關(guān)的體積大幅縮小（MZI單元長(zhǎng)度僅12mm），更便于密集部署。在數(shù)據(jù)中心等空間受限的場(chǎng)景中，可有效節(jié)省安裝空間，降低系統(tǒng)部署成本。

科毅光通信的新型波導(dǎo)矩陣光開關(guān)，通過MZI單元的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與Banyan網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，成功突破了傳統(tǒng)光開關(guān)的通信限制，實(shí)現(xiàn)了一對(duì)多、多對(duì)多的靈活傳輸。PLC技術(shù)與SiO?波導(dǎo)材料的結(jié)合，讓產(chǎn)品在穩(wěn)定性、損耗、速度等核心指標(biāo)上表現(xiàn)卓越，為光網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行提供了可靠保障。

在下一篇文章中，我們將詳細(xì)介紹該新型波導(dǎo)矩陣光開關(guān)的實(shí)驗(yàn)制作過程、具體性能測(cè)試數(shù)據(jù)（插入損耗、串?dāng)_、功耗等）以及在各行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，帶您全面了解產(chǎn)品的實(shí)戰(zhàn)能力。如果您想了解更多光開關(guān)產(chǎn)品信息或技術(shù)咨詢，歡迎訪問廣西科毅光通信官網(wǎng)我們將為您提供專業(yè)的解決方案 - 聯(lián)系我們。

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