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

隨著(zhù)現代光通信技術(shù)與密集波分復用（DWDM）技術(shù)的迅猛發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò )對信號傳輸的靈活性、穩定性和高效性提出了更高要求。作為光通信系統中的核心器件，光開(kāi)關(guān)承擔著(zhù)光路切換、信號上下路的關(guān)鍵作用，其性能直接影響整個(gè)光網(wǎng)絡(luò )的傳輸質(zhì)量與運行效率。在數據中心互聯(lián)、5G基站前傳/回傳、骨干網(wǎng)建設等場(chǎng)景中，傳統機械光開(kāi)關(guān)和微機電系統MEMS光開(kāi)關(guān)因存在移動(dòng)部件，面臨著(zhù)穩定性不足、開(kāi)關(guān)速度慢、集成度低等瓶頸，已難以滿(mǎn)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.hellosk.com）深耕光通信器件領(lǐng)域，聚焦于高性能光開(kāi)關(guān)的研發(fā)與生產(chǎn)。針對傳統光開(kāi)關(guān)“一對一”通信的局限性，我們基于平面光波線(xiàn)路（PLC）技術(shù)，成功研發(fā)出新型波導矩陣光開(kāi)關(guān)，實(shí)現了一對多、多對多的靈活通信方式，其低插入損耗、快速響應、高穩定性的優(yōu)勢，為光網(wǎng)絡(luò )升級提供了核心支撐。本文將詳細解析該新型波導矩陣光開(kāi)關(guān)的設計原理、結構創(chuàng )新與技術(shù)優(yōu)勢，帶您深入了解光開(kāi)關(guān)技術(shù)的前沿突破。

一、核心設計理念：突破傳統，實(shí)現多路靈活通信

傳統矩陣光開(kāi)關(guān)多為空分型開(kāi)關(guān)，缺乏共享通信媒體，物理線(xiàn)路相互獨立，僅能實(shí)現一對一的信號傳輸。這意味著(zhù)當一個(gè)用戶(hù)接收信息時(shí)，其他用戶(hù)無(wú)法同時(shí)獲取同一信號，嚴重制約了信息傳遞的及時(shí)性與靈活性。在數據共享、多路信號分發(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)團隊以馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI）為核心，創(chuàng )新設計了兩種功能差異化的開(kāi)關(guān)單元，通過(guò)矩陣網(wǎng)絡(luò )組合實(shí)現1:k（k>1）的多路連接功能，徹底打破了傳統光開(kāi)關(guān)的通信限制。該設計的核心邏輯在于利用MZI的功率分配特性，結合熱光效應實(shí)現相位調控，讓單個(gè)輸入信號可靈活分配至多個(gè)輸出端口，或多個(gè)輸入信號按需切換至同一輸出端口，真正實(shí)現一對多、多對多的高效通信。

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

2.1MZI基本單元結構與工作原理

新型波導矩陣光開(kāi)關(guān)的核心單元為優(yōu)化設計的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI），其基本結構如圖1所示，主要由兩個(gè)3dB耦合器和兩條等長(cháng)的波導臂組成，其中一條波導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與光的干涉特性：當光信號從輸入端進(jìn)入第一個(gè)3dB耦合器后，功率被均勻分配至兩條波導臂。通過(guò)對加熱器加電，可改變對應波導臂的折射率，進(jìn)而使兩臂傳輸的光信號產(chǎn)生相位差（相位差公式：Δφ=2π/λ?Δn?L，其中λ為真空中波長(cháng)，Δn為折射率變化，L為加熱器長(cháng)度）。

根據相位差的不同，輸出端可實(shí)現兩種核心功能：

1.      光開(kāi)關(guān)a：當加電后相位差Δφ=π時(shí)，光信號從與輸入端口同側的輸出端（1'）輸出，實(shí)現信號的直接切換；

2.      光開(kāi)關(guān)b：當加電后相位差Δφ=π/2時(shí)，光信號功率被平均分配至兩個(gè)輸出端（1'和2'），實(shí)現信號的多路分發(fā)。

這種雙功能MZI單元的設計，為后續矩陣光開(kāi)關(guān)的多路連接能力奠定了基礎，也是科毅光通信新型波導矩陣光開(kāi)關(guān)的核心技術(shù)亮點(diǎn)之一。

2.22×2多端口輸出光開(kāi)關(guān)結構設計

基于光開(kāi)關(guān)a和光開(kāi)關(guān)b的組合，我們設計了2×2多端口輸出光開(kāi)關(guān)，其結構與功能如圖3所示。該開(kāi)關(guān)的核心優(yōu)勢在于輸入信號的多維度輸出選擇：?jiǎn)蝹€(gè)輸入信號可實(shí)現三種輸出模式——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；當兩個(gè)輸入端均有信號時(shí)，單個(gè)輸出端口可靈活選擇任一輸入信號，徹底解決了傳統2×2光開(kāi)關(guān)“一對一”的傳輸限制。

與普通2×2光開(kāi)關(guān)相比，科毅光通信的2×2多端口光開(kāi)關(guān)在信號分配靈活性上實(shí)現了質(zhì)的飛躍。普通光開(kāi)關(guān)僅能實(shí)現固定的光路切換，而新型開(kāi)關(guān)通過(guò)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，避免了多端口對同一信號的競爭，大幅提升了信號傳輸的效率與靈活性。

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

為滿(mǎn)足更大規模的多路通信需求，我們將MZI單元進(jìn)一步拓展為4×4多端口輸出光開(kāi)關(guān)，結構如圖4所示。

該開(kāi)關(guān)采用蝶形交叉連接的Banyan網(wǎng)絡(luò )結構，相較于傳統Crossbar結構，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（斜波導與直波導交叉、兩反方向斜波導交叉），通過(guò)合理設計交叉角度（θ_bs=30°），可將交叉損耗控制在0.1dB以下，大幅降低 系統插入損耗；

2.集成度更高：Banyan網(wǎng)絡(luò )以更少的聯(lián)接級數實(shí)現信號調度，在縮小器件體積的同時(shí)，保證了開(kāi)關(guān)的嚴格無(wú)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(shí)輸出。

通過(guò)OptiBPM軟件仿真，我們驗證了交叉角度對損耗的影響：當交叉角大于30°時(shí)，交叉損耗小于0.1dB，完全滿(mǎn)足光網(wǎng)絡(luò )對低損耗的要求（仿真曲線(xiàn)如圖5所示）。這種結構設計讓4×4光開(kāi)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)，可適應不同場(chǎng)景的安裝需求。

三、技術(shù)優(yōu)勢：PLC技術(shù)與SiO?波導的完美結合

新型波導矩陣光開(kāi)關(guān)的卓越性能，離不開(kāi)平面光波線(xiàn)路（PLC）技術(shù)與硅基SiO?波導材料的深度融合。作為行業(yè)領(lǐng)先的光通信器件供應商，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?為波導材料，其優(yōu)勢主要體現在以下方面：

3.1穩定性更強，無(wú)移動(dòng)部件磨損

PLC技術(shù)利用波導材料的物理效應（熱光效應）實(shí)現光路切換，無(wú)需任何移動(dòng)部件，從根本上解決了傳統機械光開(kāi)關(guān)和MEMS光開(kāi)關(guān)的磨損問(wèn)題。在長(cháng)期運行過(guò)程中，器件穩定性更高，使用壽命更長(cháng)，可適應數據中心、骨干網(wǎng)等場(chǎng)景的7×24小時(shí)連續運行需求。

3.2傳輸損耗低，兼容性?xún)?yōu)異

硅基SiO?波導材料與現有半導體工藝兼容性好，可實(shí)現大規模量產(chǎn)，有效控制生產(chǎn)成本。同時(shí)，SiO?波導的傳輸損耗極低（商業(yè)標準為0.1dB/cm），配合優(yōu)化的Banyan網(wǎng)絡(luò )結構，讓2×2光開(kāi)關(guān)插入損耗低至2.25dB，4×4光開(kāi)關(guān)平均插入損耗僅4.3dB，遠優(yōu)于行業(yè)平均水平。

3.3開(kāi)關(guān)速度快，響應及時(shí)

通過(guò)優(yōu)化MZI單元的加熱器設計（鈦金屬薄膜，長(cháng)3.3mm，寬20μm），新型波導矩陣光開(kāi)關(guān)的響應時(shí)間小于1ms，可快速完成光路切換，滿(mǎn)足高速光網(wǎng)絡(luò )的信號調度需求。在突發(fā)數據傳輸、動(dòng)態(tài)光路調整等場(chǎng)景中，能夠精準、及時(shí)地響應控制指令。

3.4集成度高，體積小巧

基于PLC技術(shù)的集成化設計，讓2×2、4×4光開(kāi)關(guān)的體積大幅縮?。∕ZI單元長(cháng)度僅12mm），更便于密集部署。在數據中心等空間受限的場(chǎng)景中，可有效節省安裝空間，降低系統部署成本。

科毅光通信的新型波導矩陣光開(kāi)關(guān)，通過(guò)MZI單元的創(chuàng )新設計與Banyan網(wǎng)絡(luò )的結構優(yōu)化，成功突破了傳統光開(kāi)關(guān)的通信限制，實(shí)現了一對多、多對多的靈活傳輸。PLC技術(shù)與SiO?波導材料的結合，讓產(chǎn)品在穩定性、損耗、速度等核心指標上表現卓越，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，我們將詳細介紹該新型波導矩陣光開(kāi)關(guān)的實(shí)驗制作過(guò)程、具體性能測試數據（插入損耗、串擾、功耗等）以及在各行業(yè)的實(shí)際應用場(chǎng)景，帶您全面了解產(chǎn)品的實(shí)戰能力。如果您想了解更多光開(kāi)關(guān)產(chǎn)品信息或技術(shù)咨詢(xún)，歡迎訪(fǎng)問(wèn)廣西科毅光通信官網(wǎng)我們將為您提供專(zhuān)業(yè)的解決方案 - 聯(lián)系我們。

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