一、光通信行業(yè)痛點(diǎn)：傳統(tǒng)光開關(guān)的技術(shù)瓶頸

在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、高清視頻、云計(jì)算等大數(shù)據(jù)服務(wù)的推動(dòng)下，光通訊網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心進(jìn)入高速發(fā)展階段。然而，傳統(tǒng)光通訊網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心依賴光-電-光轉(zhuǎn)換的交換方式，早已面臨嚴(yán)重的帶寬瓶頸。為突破這一限制，光交換技術(shù)自20世紀(jì)90年代被提出后，便成為行業(yè)關(guān)注的核心方向，但高綜合性能光開關(guān)的研發(fā)始終是亟待解決的技術(shù)難題。

目前商業(yè)應(yīng)用中，主流光交叉互連器件以MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）微鏡陣列或LCoS（硅基液晶）為主，這類器件采用自由空間光傳輸方式，對(duì)光學(xué)對(duì)準(zhǔn)和環(huán)境因素要求嚴(yán)苛，且體積龐大，無法滿足單片集成的需求。在科研領(lǐng)域，基于平面光波導(dǎo)的光交叉互連器件雖被廣泛研究，包括馬赫-陳德爾干涉術(shù)光開關(guān)、熱光效應(yīng)硅基光開關(guān)陣列等，但這些方案始終未能平衡光學(xué)損耗、端口擴(kuò)展性、切換速度、尺寸、能耗、單片集成及魯棒性等綜合性能，難以在數(shù)據(jù)中心等核心場(chǎng)景落地應(yīng)用。

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)域多年，針對(duì)行業(yè)痛點(diǎn)自主研發(fā)的層狀結(jié)構(gòu)光開關(guān)，憑借創(chuàng)新設(shè)計(jì)突破傳統(tǒng)技術(shù)限制，為光通信行業(yè)提供低損耗、易集成、高可靠的光開關(guān)解決方案。

二、光開關(guān)核心創(chuàng)新：層狀結(jié)構(gòu)與偏振態(tài)控制技術(shù)

（一）光開關(guān)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廣西科毅研發(fā)的光開關(guān)采用層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從下往上依次設(shè)置基底、光開關(guān)控制層、工作層和上絕緣層，部分結(jié)構(gòu)還在光開關(guān)控制層與工作層之間增設(shè)下層包層，進(jìn)一步提升絕緣性能。這種層狀布局讓器件結(jié)構(gòu)更緊湊，有效縮小了整體尺寸，為單片集成奠定了基礎(chǔ)。

圖1 光開關(guān)層狀結(jié)構(gòu)橫截面示意圖一

各層核心組件及功能如下：

1.      基底：優(yōu)選硅基底，工藝成熟且原材料豐富，為整個(gè)器件提供穩(wěn)定的支撐基礎(chǔ)。

2.      光開關(guān)控制層：包含電開關(guān)、驅(qū)動(dòng)電極層、絕緣材料及導(dǎo)線，部分結(jié)構(gòu)還設(shè)有金屬防護(hù)層。電開關(guān)優(yōu)選CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）電開關(guān)，利于器件集成，其驅(qū)動(dòng)電路采用直流驅(qū)動(dòng)模式；驅(qū)動(dòng)電極層與旋轉(zhuǎn)器電性連接，通過導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)與電開關(guān)的信號(hào)傳輸；絕緣材料選用二氧化硅，絕緣效果好且成本低廉；金屬防護(hù)層可提升器件整體強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命。

3.      下層包層：材料為二氧化硅，設(shè)于光開關(guān)控制層與工作層之間，避免控制層與工作層直接接觸，起到良好的絕緣隔離作用。

4.      工作層：核心功能層，包含對(duì)輸入光波偏振態(tài)進(jìn)行控制的旋轉(zhuǎn)器和基于光波偏振態(tài)切換輸出方向的平面波導(dǎo)，部分結(jié)構(gòu)還設(shè)有取向膜層或上下層工作電極，用于精準(zhǔn)控制液晶分子取向。

5.      上絕緣層：位于器件最上層，起到保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、防止外界干擾的作用。

（二）平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與傳輸原理

平面波導(dǎo)是光開關(guān)的核心傳輸單元，包括橫向波導(dǎo)、縱向波導(dǎo)、轉(zhuǎn)向波導(dǎo)和包覆三者的包層。橫向波導(dǎo)與縱向波導(dǎo)垂直相交，轉(zhuǎn)向波導(dǎo)的一端與橫向波導(dǎo)連接處連接，另一端與縱向波導(dǎo)連接處連接，形成“十字交叉+轉(zhuǎn)向”的傳輸路徑設(shè)計(jì)。

圖2 光開關(guān)層狀結(jié)構(gòu)橫截面示意圖二

橫向波導(dǎo)和縱向波導(dǎo)的波導(dǎo)本體寬度優(yōu)選8微米，這一設(shè)計(jì)讓兩者相交處擁有較寬的模場(chǎng)，可有效抑制交叉損耗；且橫向波導(dǎo)與縱向波導(dǎo)長(zhǎng)度保持一致，確保傳輸一致性。轉(zhuǎn)向波導(dǎo)優(yōu)選90度轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)，可將橫向傳輸?shù)墓獠ň珳?zhǔn)轉(zhuǎn)向至縱向波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)傳輸方向的靈活切換。

包層材料選用低折射率材料（如紫外光固化膠NOA84），其折射率低于橫向波導(dǎo)、縱向波導(dǎo)及轉(zhuǎn)向波導(dǎo)的材料折射率，使得光波在波導(dǎo)內(nèi)傳輸時(shí)，在波導(dǎo)與包層的邊界處發(fā)生全反射，從而將光波約束在波導(dǎo)內(nèi)部，避免傳輸損耗。

（三）旋轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)與偏振態(tài)控制機(jī)制

旋轉(zhuǎn)器是實(shí)現(xiàn)光波傳輸方向切換的關(guān)鍵組件，分為橫向旋轉(zhuǎn)器和縱向旋轉(zhuǎn)器，分別對(duì)應(yīng)橫向波導(dǎo)和縱向波導(dǎo)的偏振態(tài)控制。

橫向旋轉(zhuǎn)器包括橫向液晶波導(dǎo)和分布在其兩側(cè)的橫向電極，縱向旋轉(zhuǎn)器包括縱向液晶波導(dǎo)和分布在其兩側(cè)的縱向電極。電極分為驅(qū)動(dòng)電極和接地電極，對(duì)稱分布在液晶波導(dǎo)兩側(cè)，驅(qū)動(dòng)電極與驅(qū)動(dòng)電壓連接，接地電極用于接地，通過電極間電場(chǎng)的有無及強(qiáng)度變化，控制液晶分子的排列方式。

圖3 橫向旋轉(zhuǎn)器電極與液晶波導(dǎo)布局示意圖一

圖4 橫向旋轉(zhuǎn)器電極與液晶波導(dǎo)布局示意圖二

橫向液晶波導(dǎo)與橫向波導(dǎo)本體通過橫向錐形漸變波導(dǎo)連接，縱向液晶波導(dǎo)與縱向波導(dǎo)本體通過縱向錐形漸變波導(dǎo)連接。由于液晶波導(dǎo)寬度（2微米）小于波導(dǎo)本體寬度（8微米），錐形漸變波導(dǎo)可有效減少模場(chǎng)轉(zhuǎn)換過程中的損耗，確保光波傳輸?shù)倪B續(xù)性。

旋轉(zhuǎn)器對(duì)光波偏振態(tài)的控制原理如下：

1.      維持偏振態(tài)：當(dāng)電開關(guān)斷開時(shí)，電極未接通電源，液晶波導(dǎo)內(nèi)不產(chǎn)生電場(chǎng)，液晶分子沿光波傳輸方向均勻排列，光波偏振態(tài)保持不變。

2.      旋轉(zhuǎn)偏振態(tài)：當(dāng)電開關(guān)接通時(shí)，電極產(chǎn)生電場(chǎng)，液晶分子沿光波傳輸方向扭轉(zhuǎn)排列，從而改變光波偏振態(tài)。偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)角度可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定，優(yōu)選90度旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)傳輸方向的切換。

為進(jìn)一步優(yōu)化控制效果，橫向電極和縱向電極的間距沿液晶波導(dǎo)傳輸方向逐漸變化，使得液晶波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)強(qiáng)度漸變的電場(chǎng)。這種漸變電場(chǎng)可精準(zhǔn)控制液晶分子排布的旋轉(zhuǎn)距離和變化速度，在實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，最大限度降低光傳輸損耗。

三、光開關(guān)核心材料選型：平衡性能與成本

材料選型是光開關(guān)實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵，廣西科毅通過精準(zhǔn)匹配材料特性，確保器件的穩(wěn)定性、低損耗和易加工性。

（一）核心材料組合方案

方案一：橫向液晶波導(dǎo)和縱向液晶波導(dǎo)采用雙折射液晶材料（如E7液晶，主要成分為氧基聯(lián)苯類化合物），橫向波導(dǎo)和縱向波導(dǎo)本體采用雙折射材料，轉(zhuǎn)向波導(dǎo)采用與雙折射材料任一折射率相匹配的匹配材料（如硅氧氮SiON，其折射率與E7液晶的e光折射率匹配）。包層材料選用低折射率材料，折射率低于雙折射材料和匹配材料。

方案二：轉(zhuǎn)向波導(dǎo)采用雙折射材料（如金紅石相二氧化鈦TiO?），橫向波導(dǎo)和縱向波導(dǎo)本體采用與雙折射材料折射率匹配的匹配材料（如碳化硅SiC），橫向液晶波導(dǎo)和縱向液晶波導(dǎo)仍采用雙折射液晶材料。包層材料選用空氣，加工成本更低，且可進(jìn)一步縮小器件尺寸。

（二）材料特性優(yōu)勢(shì)

1.      雙折射液晶材料：具有良好的偏振態(tài)調(diào)控能力，響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)光波偏振態(tài)的精準(zhǔn)切換，且材料成本適中，加工工藝成熟。

2.      匹配材料：與雙折射材料折射率精準(zhǔn)匹配，確保光波在不同波導(dǎo)間傳輸時(shí)的低損耗耦合，提升傳輸效率。

3.      低折射率包層材料：有效約束光波傳輸路徑，減少泄漏損耗，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與其他材料兼容性好。

四、光開關(guān)兩大結(jié)構(gòu)版本：適配不同應(yīng)用需求

（一）取向膜層版本

工作層增設(shè)下取向膜層和上取向膜層，下取向膜層設(shè)于下層包層與波導(dǎo)層之間，上取向膜層設(shè)于波導(dǎo)層與上絕緣層之間。取向膜層采用可讓液晶分子保持垂直取向的材料，確保波導(dǎo)層中液晶分子的垂直取向分布，使器件具有穩(wěn)定的折射率特性。

該版本光開關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，開關(guān)時(shí)間可達(dá)1ms，適用于對(duì)響應(yīng)速度要求適中、注重穩(wěn)定性的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖5 帶取向膜層的光開關(guān)橫截面示意圖

（二）上下層工作電極版本

工作層增設(shè)上層工作電極，設(shè)于波導(dǎo)層與上絕緣層之間；光開關(guān)控制層增設(shè)下層工作電極，設(shè)于驅(qū)動(dòng)電極層中，平面波導(dǎo)位于下層工作電極和上層工作電極之間。上下層工作電極通電后可在平面波導(dǎo)中產(chǎn)生電場(chǎng)，通過電場(chǎng)精準(zhǔn)控制液晶分子的垂直取向分布。

該版本光開關(guān)響應(yīng)速度更快，開關(guān)時(shí)間可達(dá)0.15ms，操作簡(jiǎn)便，適用于對(duì)響應(yīng)速度要求較高的高頻切換場(chǎng)景。

五、廣西科毅光開關(guān)核心優(yōu)勢(shì)：賦能光通信行業(yè)升級(jí)

1.      結(jié)構(gòu)緊湊，易集成：層狀設(shè)計(jì)大幅縮小器件尺寸，可作為光子芯片的一部分進(jìn)行單片集成，也可作為芯片集成于外圍電路或光子回路中，解決傳統(tǒng)器件體積大、難集成的痛點(diǎn)。

2.      低光傳輸損耗：通過錐形漸變波導(dǎo)、折射率匹配材料、漸變電場(chǎng)控制等多重設(shè)計(jì)，有效降低模場(chǎng)轉(zhuǎn)換損耗、交叉損耗和泄漏損耗，提升光信號(hào)傳輸效率。

3.      響應(yīng)速度快：兩種結(jié)構(gòu)版本開關(guān)時(shí)間分別低至1ms和0.15ms，可滿足不同場(chǎng)景下的切換需求，適配高頻數(shù)據(jù)傳輸。

4.      可靠性強(qiáng)：采用成熟的材料體系和工藝設(shè)計(jì)，金屬防護(hù)層提升器件機(jī)械強(qiáng)度，絕緣材料確保電氣隔離穩(wěn)定性，抗干擾能力（魯棒性）突出。

5.      成本可控：核心材料選用性價(jià)比高的成熟產(chǎn)品，加工工藝與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝兼容，規(guī)?；a(chǎn)后可進(jìn)一步降低成本。

作為專業(yè)的光開關(guān)生產(chǎn)銷售商，廣西科毅光通信科技有限公司始終以技術(shù)創(chuàng)新為核心，將該層狀結(jié)構(gòu)光開關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)化為量產(chǎn)產(chǎn)品，為光通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)景提供高性能解決方案。

擇合適的光開關(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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