每年，全球數(shù)據(jù)量的增長曲線都在變得更加陡峭。我們手機(jī)里的視頻、云端不斷訓(xùn)練的AI模型、工廠里流動(dòng)的傳感器信息，所有這些都在逼迫著數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一場靜默的革命。作為這場革命的核心物理層器件，光開關(guān)的性能，直接決定著數(shù)據(jù)“立交橋”的效率和容量。

傳統(tǒng)的馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）光開關(guān)有個(gè)“老毛病”：由于納米級(jí)的制造誤差幾乎無法避免，每個(gè)開關(guān)單元在出廠時(shí)，其“開”和“關(guān)”的初始狀態(tài)都會(huì)偏離設(shè)計(jì)值。這聽起來似乎只是個(gè)小小的偏差，但當(dāng)你要把成千上萬個(gè)這樣的單元集成到一塊芯片上，組成一個(gè)大規(guī)模光交換陣列時(shí)，問題就變得無比棘手。工程師不得不為每一個(gè)單元配備監(jiān)控探測器和額外的加熱電極，實(shí)時(shí)進(jìn)行相位補(bǔ)償。這不僅讓控制系統(tǒng)復(fù)雜得像一團(tuán)亂麻，更帶來了巨大的額外功耗和光信號(hào)損耗?？梢哉f，“校準(zhǔn)”二字，成了束縛大規(guī)模光開關(guān)陣列發(fā)展的最大枷鎖。

那么，能否打造一種天生就“規(guī)整”，幾乎不需要校準(zhǔn)的光開關(guān)單元呢？我們的研究給出了一條清晰的路徑：核心思路是“展寬波導(dǎo)，馴服光場”。

(一)從“纖細(xì)”到“寬厚”：讓波導(dǎo)對(duì)誤差不再敏感

想象一下，在一條狹窄的小巷里，墻壁上的一點(diǎn)凹凸都會(huì)讓行人感到局促；而在一條寬闊的大道上，同樣的凹凸則幾乎無法被察覺。傳統(tǒng)硅光波導(dǎo)就像那條小巷，寬度通常在500納米以下，相當(dāng)于頭發(fā)絲的百分之一。如此微小的尺寸下，側(cè)壁哪怕只有幾個(gè)原子的粗糙起伏，都會(huì)顯著改變光傳播的相位，這就是“隨機(jī)相位誤差”的主要來源。

我們的突破在于，大膽地將MZI干涉臂中關(guān)鍵的“相移區(qū)”波導(dǎo)寬度，從傳統(tǒng)的450納米，增加到了1微米甚至2微米。同時(shí)，將其長度從幾百微米大幅縮短至30微米。這樣做的好處是雙重的：第一，更寬的波導(dǎo)使得光場分布更加“舒展”

，對(duì)側(cè)壁的局部變化變得不敏感；第二，更短的長度意味著即便有誤差，累積的效應(yīng)也大大減小。

2微米寬相移區(qū)波導(dǎo)的MZI結(jié)構(gòu)顯微鏡圖

理論計(jì)算令人振奮：僅僅通過這一項(xiàng)改變，開關(guān)單元對(duì)寬度制造誤差的敏感度（即歸一化相位誤差）就能降低一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更是有力地支撐了這一點(diǎn)：我們對(duì)上百個(gè)不同寬度的開關(guān)單元進(jìn)行了測試統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)將相移區(qū)拓寬至2微米后，其隨機(jī)相位誤差的平均值和波動(dòng)范圍，分別降至傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的約1/375和1/11。這意味著，大部分開關(guān)在制造完成后，其初始狀態(tài)就已經(jīng)非常接近理想的“開”或“關(guān)”，所需的校準(zhǔn)功耗微乎其微。

(二)彎曲處的藝術(shù)：歐拉曲線與模場濾波

然而，一個(gè)完整的MZI開關(guān)單元不僅僅只有相移區(qū)。連接分束器的彎曲波導(dǎo)（S-bend）往往很長，是另一個(gè)誤差積累的“重災(zāi)區(qū)”。而且，當(dāng)我們把相移區(qū)拓寬后，如果連接它的仍然是傳統(tǒng)的單模彎曲波導(dǎo)，就會(huì)形成“寬-窄-寬”的瓶頸，不僅引入損耗，還可能激發(fā)我們不希望的高階模式光，導(dǎo)致串?dāng)_惡化。

為此，我們設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的“寬度漸變歐拉彎曲波導(dǎo)”。歐拉曲線是一種曲率連續(xù)變化的曲線，常用于高速公路的設(shè)計(jì)，能讓車輛平滑過渡。我們將其應(yīng)用于光波導(dǎo)，并讓波導(dǎo)的寬度也從起始端到末端平滑漸變。這樣設(shè)計(jì)出的S彎，不僅自身非常緊湊（面積僅約9x9微米2），而且光在其中傳輸非常順暢，損耗極低。

基于歐拉彎曲波導(dǎo)的低隨機(jī)相位誤差開關(guān)單元結(jié)構(gòu)示意圖

但問題又來了：寬波導(dǎo)可以支持多個(gè)模式，從前面多模干涉耦合器（MMI）泄露過來的一點(diǎn)點(diǎn)高階模，在寬波導(dǎo)里可能“如魚得水”，跑到輸出端造成干擾。我們的解決辦法頗為巧妙：在歐拉彎曲的一個(gè)特定位置，引入一段非?？拷摹挾炔煌摹鞍閭H波導(dǎo)”，構(gòu)成一個(gè)非對(duì)稱的定向耦合器。這個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)基模光幾乎沒影響，卻能將偷偷溜進(jìn)來的高階模巧妙地“勾走”，耦合到旁邊的波導(dǎo)中耗散掉。這樣一來，我們就實(shí)現(xiàn)了“低誤差”和“低串?dāng)_”的兼得。

(三)邁向“無校準(zhǔn)”陣列：從單元到系統(tǒng)

基于上述的低隨機(jī)相位誤差單元，我們首次在實(shí)驗(yàn)上成功搭建并測試了無需初始校準(zhǔn)的4×4、8×8乃至16×16 MZI光開關(guān)陣列。這標(biāo)志著，復(fù)雜的外部反饋控制系統(tǒng)可以被極大簡化。

以4x4陣列為例，在完全不施加任何校準(zhǔn)電壓的“出廠狀態(tài)”下，其所有通道的插入損耗約為3dB，串?dāng)_優(yōu)于-20dB。當(dāng)我們給所有開關(guān)單元施加一個(gè)統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的切換電壓，使其全部切換到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)，性能依然保持穩(wěn)定。更令人鼓舞的是，我們成功通過該陣列實(shí)現(xiàn)了30Gbps的高速數(shù)據(jù)路由切換，眼圖清晰張開，證明了其在真實(shí)系統(tǒng)中的實(shí)用性。

無校準(zhǔn)4×4 MZI光開關(guān)陣列傳輸光譜

從被制造誤差牽著鼻子走，到通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其影響變得微不足道，低隨機(jī)相位誤差MZI光開關(guān)單元代表了一種設(shè)計(jì)哲學(xué)的根本轉(zhuǎn)變。它讓大規(guī)模光交換陣列擺脫了校準(zhǔn)的沉重負(fù)擔(dān)，朝著更高集成度、更低功耗、更易控制的方向邁出了關(guān)鍵一步。

在廣西科毅光通信，我們不僅關(guān)注這樣的前沿突破，更致力于思考如何將這些實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新，轉(zhuǎn)化為客戶手中穩(wěn)定、可靠的產(chǎn)品。我們知道，通往全光交換時(shí)代的道路上，每一個(gè)“無需校準(zhǔn)”的開關(guān)單元，都是一塊堅(jiān)實(shí)的鋪路石。

擇合適的光開關(guān)等光學(xué)器件是一項(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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（注：本文部分內(nèi)容可能由AI協(xié)助創(chuàng)作，僅供參考）