光通信時代，光開關(guān)的核心需求與技術(shù)演進

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)對信號傳輸?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、信號上下路的關(guān)鍵作用，其性能直接影響整個光網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量與運行效率。在數(shù)據(jù)中心互聯(lián)、5G基站前傳/回傳、骨干網(wǎng)建設(shè)等場景中，傳統(tǒng)機械光開關(guān)和微機電系統(tǒng)MEMS光開關(guān)因存在移動部件，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.m.xiaohuo199.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)。針對傳統(tǒng)光開關(guān)“一對一”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)，實現(xiàn)了一對多、多對多的靈活通信方式，其低插入損耗、快速響應(yīng)、高穩(wěn)定性的優(yōu)勢，為光網(wǎng)絡(luò)升級提供了核心支撐。本文將詳細(xì)解析該新型波導(dǎo)矩陣光開關(guān)的設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與技術(shù)優(yōu)勢，帶您深入了解光開關(guān)技術(shù)的前沿突破。

一、核心設(shè)計理念：突破傳統(tǒng)，實現(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，物理線路相互獨立，僅能實現(xiàn)一對一的信號傳輸。這意味著當(dāng)一個用戶接收信息時，其他用戶無法同時獲取同一信號，嚴(yán)重制約了信息傳遞的及時性與靈活性。在數(shù)據(jù)共享、多路信號分發(fā)等場景中，這種局限性尤為突出。

為解決這一痛點，科毅光通信的研發(fā)團隊以馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）為核心，創(chuàng)新設(shè)計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)實現(xiàn)相位調(diào)控，讓單個輸入信號可靈活分配至多個輸出端口，或多個輸入信號按需切換至同一輸出端口，真正實現(xiàn)一對多、多對多的高效通信。

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3dB耦合器和兩條等長的波導(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)光信號從輸入端進入第一個3dB耦合器后，功率被均勻分配至兩條波導(dǎo)臂。通過對加熱器加電，可改變對應(yīng)波導(dǎo)臂的折射率，進而使兩臂傳輸?shù)墓庑盘柈a(chǎn)生相位差（相位差公式：Δφ=2π/λ?Δn?L，其中λ為真空中波長，Δn為折射率變化，L為加熱器長度）。

根據(jù)相位差的不同，輸出端可實現(xiàn)兩種核心功能：

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

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

這種雙功能MZI單元的設(shè)計，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)亮點之一。

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

基于光開關(guān)a和光開關(guān)b的組合，我們設(shè)計了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)勢在于輸入信號的多維度輸出選擇：單個輸入信號可實現(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'同時輸出；當(dāng)兩個輸入端均有信號時，單個輸出端口可靈活選擇任一輸入信號，徹底解決了傳統(tǒng)2×2光開關(guān)“一對一”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)在信號分配靈活性上實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。普通光開關(guān)僅能實現(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，可讓多個輸出端口同時獲取同一輸入信號，避免了多端口對同一信號的競爭，大幅提升了信號傳輸?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

為滿足更大規(guī)模的多路通信需求，我們將MZI單元進一步拓展為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：

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)接級數(shù)實現(xiàn)信號調(diào)度，在縮小器件體積的同時，保證了開關(guān)的嚴(yán)格無阻塞特性，任一輸入信號可靈活切換至任一輸出端口，且支持多端口同時輸出。

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

三、技術(shù)優(yōu)勢：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)勢主要體現(xiàn)在以下方面：

3.1穩(wěn)定性更強，無移動部件磨損

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

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，可實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，有效控制生產(chǎn)成本。同時，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

通過優(yōu)化MZI單元的加熱器設(shè)計（鈦金屬薄膜，長3.3mm，寬20μm），新型波導(dǎo)矩陣光開關(guān)的響應(yīng)時間小于1ms，可快速完成光路切換，滿足高速光網(wǎng)絡(luò)的信號調(diào)度需求。在突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、動態(tài)光路調(diào)整等場景中，能夠精準(zhǔn)、及時地響應(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，讓2×2、4×4光開關(guān)的體積大幅縮?。∕ZI單元長度僅12mm），更便于密集部署。在數(shù)據(jù)中心等空間受限的場景中，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，實現(xiàn)了一對多、多對多的靈活傳輸。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)的實驗制作過程、具體性能測試數(shù)據(jù)（插入損耗、串?dāng)_、功耗等）以及在各行業(yè)的實際應(yīng)用場景，帶您全面了解產(chǎn)品的實戰(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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