作為寬帶光纖通訊系統(tǒng)的核心器件，光開(kāi)關(guān)的性能直接影響網(wǎng)絡(luò)傳輸效率與穩(wěn)定性。廣西科毅光通信（官網(wǎng)：www.m.xiaohuo199.com）深耕光通信領(lǐng)域多年，基于光柵光閥（GLV）技術(shù)研發(fā)的MEMS 光開(kāi)關(guān)，憑借高光學(xué)效率、快響應(yīng)速度、長(zhǎng)使用壽命等優(yōu)勢(shì)，成功突破傳統(tǒng)光開(kāi)關(guān)技術(shù)瓶頸，成為光通信網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的核心支撐器件。本文將從技術(shù)原理、特性解析、設(shè)計(jì)仿真等維度，帶您全面了解這一創(chuàng)新光通信技術(shù)。

一、MEMS 光開(kāi)關(guān)的行業(yè)痛點(diǎn)與 GLV 技術(shù)突破

在光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，光開(kāi)關(guān)承擔(dān)著光信號(hào)選擇性路由的關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)微鏡式MEMS光開(kāi)關(guān)存在開(kāi)關(guān)時(shí)間長(zhǎng)（約5ms）、易磨損、壽命短等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了光通信網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行。

而光柵光閥（GLV）作為一種基于MEMS工藝的微型反射式相位光柵器件，已在投影機(jī)、計(jì)算機(jī)直接制版機(jī)等領(lǐng)域驗(yàn)證了其核心優(yōu)勢(shì)：

1.      光學(xué)效率高、插入損耗低，信號(hào)傳輸損耗更小

2.      響應(yīng)速度快，對(duì) 1MHz 方波脈沖的響應(yīng)時(shí)間可低至 20ns

3.      穩(wěn)定性極強(qiáng)，單個(gè)器件可承受 6×1012 次開(kāi)關(guān)周期

4.      無(wú)機(jī)械摩擦設(shè)計(jì)，徹底解決傳統(tǒng)光開(kāi)關(guān)磨損難題

廣西科毅光通信將GLV技術(shù)創(chuàng)新性應(yīng)用于光開(kāi)關(guān)研發(fā)，推出 MEMS 1×2光開(kāi)關(guān)，完美適配光纖通信、數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)景的高效傳輸需求。

二、光柵光閥 MEMS 光開(kāi)關(guān)工作原理

GLV-MEMS光開(kāi)關(guān)采用CMOS材料與MEMS工藝加工而成，核心結(jié)構(gòu)由偶數(shù)個(gè)平行排列的可動(dòng)輻條與固定輻條組成，基底為硅材質(zhì)，可動(dòng)輻條采用具有高張力的 S?N?材料，表面鍍鋁膜以保證高反射率與電導(dǎo)率，輻條與基底間預(yù)留微小空氣間隙。

圖1 光柵光閥結(jié)構(gòu)

1. 未通電狀態(tài)（反射模式）

當(dāng)光開(kāi)關(guān)未通電時(shí)，所有輻條處于同一平面，形成完整的平面鏡結(jié)構(gòu)。入射光經(jīng)鋁膜表面反射后，沿固定路徑傳輸，此時(shí)光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)光路的直接導(dǎo)通（對(duì)應(yīng)輸出光纖 1）。正入射設(shè)計(jì)讓反射光僅含單一偏振光波，既簡(jiǎn)化了光路設(shè)計(jì)，又保證了高反射率，有效降低插入損耗。

2. 通電狀態(tài)（衍射模式）

通電后，可動(dòng)輻條在靜電力作用下下降，與固定輻條形成高度差，構(gòu)成反射型衍射光柵。當(dāng)單色光照射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生特定方向的衍射光，通過(guò)預(yù)設(shè)接收裝置（輸出光纖 2）實(shí)現(xiàn)光路切換，完成 1×2 光路的精準(zhǔn)路由。

圖2 GLV通電時(shí)的工作狀態(tài)

三、GLV-MEMS光開(kāi)關(guān)光學(xué)特性解析

光開(kāi)關(guān)的光學(xué)性能直接決定傳輸質(zhì)量，廣西科毅光通信通過(guò)精準(zhǔn)的光學(xué)設(shè)計(jì)，讓GLV光開(kāi)關(guān)在反射與衍射模式下均表現(xiàn)出優(yōu)異特性。

1. 未通電時(shí)的反射特性

根據(jù)菲涅耳公式與折射定律，未通電時(shí)的GLV相當(dāng)于高反射率平面鏡。通過(guò)優(yōu)化鋁膜材質(zhì)與輻條平整度，光開(kāi)關(guān)在1.55μm（光纖通信常用單模光波長(zhǎng)）正入射時(shí)，反射率大幅提升，插入損耗控制在極低水平，滿足長(zhǎng)距離傳輸需求。

2. 通電時(shí)的衍射特性

通電后形成的衍射光柵，其衍射效率與光程差、相位差直接相關(guān)。通過(guò)標(biāo)量衍射理論推導(dǎo)，衍射效率計(jì)算公式如下：

η=2R [(sinα/α)(sinNβ/sinβ)]2(1+cosδ)

（其中R為鋁膜反射率，α為單縫相位差β為間隔單縫相位差，N為輻條數(shù)目）

圖2 GLV通電時(shí)的光學(xué)模型

經(jīng)仿真驗(yàn)證，當(dāng)可動(dòng)輻條下降131.8nm時(shí)，1級(jí)衍射效率可達(dá)50%，完全滿足光信號(hào)高效傳輸?shù)男袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

四、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化

GLV-MEMS光開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)需融合力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，廣西科毅光通信采用Furlani提出的平行平板電容模型算法，結(jié)合CoventorWare軟件進(jìn)行精準(zhǔn)仿真，大幅提升設(shè)計(jì)效率與參數(shù)精度。

1. 核心仿真模型

以平行平板電容模型為基礎(chǔ)，可動(dòng)輻條等效為彈性電容體，通過(guò)求解非線性四階力學(xué)方程，精準(zhǔn)計(jì)算輻條在靜電力作用下的位移量與驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系：

F (y)=K?U2/[ε?f+ε(h-y)]2

（其中 K?為電容系數(shù)，U為驅(qū)動(dòng)電壓，ε?為自由空間介電常數(shù)，h為輻條初始間距，y為位移量）

圖4 平行板電容模型

2. 關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

針對(duì) 1.55μm 通信波長(zhǎng)，經(jīng)多次仿真優(yōu)化，確定核心參數(shù)如下：

5.      條帶長(zhǎng)度 L：100μm

6.      條帶寬度 w：41μm

7.      條帶厚度：125nm

8.      輻條與襯底間距：780nm

9.      輻條數(shù)目 N：4

3. 仿真結(jié)果驗(yàn)證

10.    衍射效率：如圖5所示，可動(dòng)輻條偏移量 131.8nm 時(shí)，1級(jí)衍射效率達(dá)50%，處于行業(yè)領(lǐng)先水平；

11.    驅(qū)動(dòng)電壓：如圖6所示，驅(qū)動(dòng)電壓僅需25V 左右，屬于低功耗設(shè)計(jì)，適配各類光通信設(shè)備；

12.    開(kāi)關(guān)時(shí)間：通過(guò)保守計(jì)算，開(kāi)關(guān)時(shí)間為150μs，實(shí)際應(yīng)用中因電容變化影響，響應(yīng)速度更快，達(dá)到微秒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 1級(jí)衍射效率隨偏移量v的變化

圖6 輻條的電壓U隨偏移量y的變化

4. 最終產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

光開(kāi)關(guān)整體結(jié)構(gòu)如圖7所示，通過(guò)投射透鏡、半透半反射鏡、GLV核心組件的精準(zhǔn)搭配，實(shí)現(xiàn)光路的穩(wěn)定切換。未通電時(shí)光信號(hào)從輸出光纖1輸出，通電后從輸出光纖2輸出，切換過(guò)程無(wú)機(jī)械磨損，使用壽命大幅延長(zhǎng)。

圖7 光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

五、應(yīng)用場(chǎng)景與技術(shù)展望

1. 核心應(yīng)用場(chǎng)景

13.    寬帶光纖通信網(wǎng)絡(luò)：適配長(zhǎng)距離、高帶寬傳輸需求，提升網(wǎng)絡(luò)路由靈活性；

14.    數(shù)據(jù)中心：滿足海量數(shù)據(jù)快速交換需求，降低延遲與能耗；

15.    光通信測(cè)試設(shè)備：精準(zhǔn)切換光路，保障測(cè)試精度與效率；

16.    高清投影與制版設(shè)備：延續(xù)GLV技術(shù)優(yōu)勢(shì)，拓展多領(lǐng)域應(yīng)用。

2. 技術(shù)升級(jí)方向

廣西科毅光通信將持續(xù)優(yōu)化 GLV-MEMS光開(kāi)關(guān)技術(shù)，重點(diǎn)突破驅(qū)動(dòng)電路集成、多通道擴(kuò)展（如 1×N、N×N 型光開(kāi)關(guān)）等關(guān)鍵難題，同時(shí)通過(guò)實(shí)際樣品測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證開(kāi)關(guān)時(shí)間與穩(wěn)定性，為光通信行業(yè)提供更高效、可靠的核心器件。

選擇合適的光開(kāi)關(guān)是一項(xiàng)需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應(yīng)商實(shí)力的工作。希望本指南能為您提供清晰的思路。我們建議您在明確自身需求后，詳細(xì)對(duì)比關(guān)鍵參數(shù)，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術(shù)扎實(shí)、質(zhì)量可靠、服務(wù)專業(yè)的合作伙伴。

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