一、光通信行業(yè)對光開(kāi)關(guān)的核心需求與技術(shù)痛點(diǎn)

在全光網(wǎng)絡(luò )高速發(fā)展的今天，光開(kāi)關(guān)作為實(shí)現光信號路由選擇、交叉連接和自愈保護的核心器件，其性能直接影響整個(gè)通信系統的傳輸效率與穩定性。尤其是數據中心、5G基站、光交叉連接（OXC）設備等場(chǎng)景中，對光開(kāi)關(guān)的光路建立速度、能量損耗控制、長(cháng)期穩定性提出了極高要求。

當前主流的MEMS（微機電系統）光開(kāi)關(guān)，通過(guò)硅基底上的可移動(dòng)微鏡反射光信號實(shí)現路徑切換。其核心邏輯是讓兩個(gè)微鏡在X、Y兩個(gè)垂直方向上轉動(dòng)至理想角度，使光信號從輸入端口經(jīng)兩次反射精準到達輸出端口，從而減少能量損耗。

但傳統技術(shù)中，微鏡角度校準采用“四層嵌套步進(jìn)掃描”模式，存在明顯痛點(diǎn)：

1.      掃描效率極低：每個(gè)微鏡的兩個(gè)方向需分步轉動(dòng)，外層循環(huán)需等待內層循環(huán)完成，單微鏡單方向轉動(dòng)步數達n步時(shí)，兩層微鏡共需n?步，總耗時(shí)往往超過(guò)100秒，嚴重影響光開(kāi)關(guān)上電啟動(dòng)速度；

2.      能量損耗控制不足：驅動(dòng)臂材料特性與制造工藝差異導致微鏡角度漂移，傳統步進(jìn)掃描難以精準捕捉最優(yōu)驅動(dòng)參數；

3.      穩定性欠佳：多層循環(huán)的間歇式轉動(dòng)易導致微鏡狀態(tài)波動(dòng)，影響光路傳輸的一致性。

針對這些痛點(diǎn)，廣西科毅光通信科技有限公司（官網(wǎng)：www.www.hellosk.com）研發(fā)了創(chuàng )新的光開(kāi)關(guān)路徑建立方案，實(shí)現了掃描速度與損耗控制的雙重突破。

二、MEMS光開(kāi)關(guān)的核心結構與光路建立基礎

要理解創(chuàng )新方案的優(yōu)勢，首先需明確MEMS光開(kāi)關(guān)的核心結構與傳統光路建立邏輯。

（一）核心組件構成

MEMS光開(kāi)關(guān)主要由處理器、至少兩個(gè)微鏡及驅動(dòng)模塊組成，其核心執行單元為微鏡陣列與驅動(dòng)系統：

1.      微鏡結構：每個(gè)微鏡包含鏡面與4個(gè)驅動(dòng)臂（如圖5所示），驅動(dòng)臂A、D控制Y方向轉動(dòng)，驅動(dòng)臂B、C控制X方向轉動(dòng)，通過(guò)驅動(dòng)臂的抬起與下沉實(shí)現微鏡角度調節；

2.      微鏡陣列：光開(kāi)關(guān)中的微鏡通常以陣列形式排布（如圖4所示），例如8×8陣列，不同位置的微鏡組合實(shí)現多光路切換；

3.      驅動(dòng)系統：通過(guò)電壓或電流信號驅動(dòng)微鏡轉動(dòng)，傳統驅動(dòng)信號為臺階形（如圖2所示），創(chuàng )新方案采用諧振波、鋸齒波等連續波形（如圖9-11所示）。

（二）傳統光路建立邏輯

光信號的路徑建立本質(zhì)是尋找微鏡的最優(yōu)驅動(dòng)信號參數。如圖1所示，輸入端口發(fā)射的光信號經(jīng)第一微鏡（微鏡A）反射至第二微鏡（微鏡B），再由第二微鏡反射至輸出端口。當微鏡角度偏差時(shí)，光信號會(huì )偏離輸出端口，產(chǎn)生能量損耗（能量損耗=輸入光功率-輸出光功率）。

傳統技術(shù)通過(guò)“四層嵌套步進(jìn)掃描”確定最優(yōu)參數：

1.      四層循環(huán)分別對應第一微鏡X方向、第一微鏡Y方向、第二微鏡X方向、第二微鏡Y方向；

2.      每層循環(huán)采用步進(jìn)式轉動(dòng)，每轉動(dòng)一個(gè)預設角度（如0.1°）就暫停，記錄驅動(dòng)參數與能量損耗；

3.      外層循環(huán)需等待內層循環(huán)完成全角度掃描后再繼續，導致總步數激增，耗時(shí)過(guò)長(cháng)。

圖1 光開(kāi)關(guān)中建立路徑的示意圖

圖2 MEMS光開(kāi)關(guān)微鏡驅動(dòng)臂結構示意圖

圖3 一種光開(kāi)關(guān)的結構示意圖

圖4 一種微鏡陣列的示意圖

圖5 光開(kāi)關(guān)中微鏡的結構示意圖

三、創(chuàng )新路徑建立方法：從“步進(jìn)掃描”到“連續掃描”的突破

本專(zhuān)利提出兩種核心創(chuàng )新方案，通過(guò)將內層循環(huán)的“步進(jìn)式掃描”改為“連續式掃描”，在保證遍歷所有角度的前提下，大幅減少轉動(dòng)步數與掃描時(shí)間。

（一）方案一：雙微鏡分階段優(yōu)化策略

該方案將四層循環(huán)拆解為兩個(gè)獨立的雙層循環(huán)，先優(yōu)化第一微鏡參數，再固定第一微鏡優(yōu)化第二微鏡，具體步驟如下：

1.目標角度范圍獲?。?a href="https://www.www.hellosk.com/home/product/index.html" target="_blank" title="光開(kāi)關(guān)">光開(kāi)關(guān)上電后，先獲取第一微鏡（第二目標角度范圍）與第二微鏡（第一目標角度范圍）的盲掃角度范圍（如2°-3°），避免全角度掃描浪費時(shí)間；

2.第一微鏡參數優(yōu)化：

①控制第一微鏡每隔第一時(shí)間間隔（如210ms）轉動(dòng)一個(gè)預設角度（如0.1°），采用臺階形驅動(dòng)信號保持轉動(dòng)間歇的穩定性；

②每當第一微鏡轉動(dòng)一次后，控制第二微鏡在第一目標角度范圍內連續轉動(dòng)一周（如圖6所示），驅動(dòng)信號采用諧振波、鋸齒波或三角波（如圖9-11），且轉動(dòng)周期不大于第一時(shí)間間隔；

③當光信號能量損耗小于預設閾值（如10dB）時(shí)，記錄第一微鏡的驅動(dòng)信號參數與損耗值，直至第一微鏡覆蓋全部第二目標角度范圍；

④通過(guò)加權平均（權重與損耗負相關(guān)）或選取最小損耗對應的參數，確定第一微鏡的目標驅動(dòng)信號參數。

3.第二微鏡參數優(yōu)化：

①固定第一微鏡的目標驅動(dòng)信號參數，使其保持理想角度；

②控制第二微鏡每隔第二時(shí)間間隔（如110ms）轉動(dòng)一個(gè)預設角度，采用步進(jìn)式掃描；

③記錄能量損耗小于閾值時(shí)的驅動(dòng)參數，通過(guò)同樣的方法確定第二微鏡的目標驅動(dòng)信號參數；

④基于目標參數驅動(dòng)第二微鏡，完成光路建立。

（二）方案二：三維參數協(xié)同優(yōu)化策略

該方案針對更復雜的應用場(chǎng)景，將第二微鏡的兩個(gè)方向拆分處理，先協(xié)同優(yōu)化第一微鏡與第二微鏡X方向參數，再單獨優(yōu)化第二微鏡Y方向參數：

1. 三層步進(jìn)+一層連續掃描：

①控制第一微鏡每隔第三時(shí)間間隔（如1210ms）轉動(dòng)預設角度，同時(shí)控制第二微鏡X方向每隔第四時(shí)間間隔（如11ms）轉動(dòng)預設角度；

②每當第二微鏡X方向轉動(dòng)一次，控制其Y方向在第一目標角度范圍內連續轉動(dòng)一周（驅動(dòng)信號為連續波形）；

③記錄能量損耗達標的驅動(dòng)參數集合（含第一微鏡與第二微鏡X方向參數），直至覆蓋全部角度范圍；

2.單獨優(yōu)化第二微鏡Y方向：

④ 固定第一微鏡與第二微鏡X方向的目標參數；

⑤控制第二微鏡Y方向每隔第五時(shí)間間隔（如10ms）步進(jìn)轉動(dòng)，記錄最優(yōu)參數并驅動(dòng)；

圖6 一種微鏡轉動(dòng)的示意圖

圖7 一種用于光開(kāi)關(guān)的路徑建立方法的流程圖

圖9 光開(kāi)關(guān)諧振波驅動(dòng)信號波形圖

圖10 MEMS光開(kāi)關(guān)微鏡角度調節示意圖

圖11 種用于控制微鏡連續轉動(dòng)的驅動(dòng)信號的波形示意圖

（三）核心技術(shù)亮點(diǎn)

1.      掃描速度提升顯著(zhù)：將四層步進(jìn)循環(huán)轉化為“步進(jìn)+連續”混合循環(huán)，總步數從n?降至2n2（方案一）或n3+n（方案二）。實(shí)驗證明，當單方向步數為11步時(shí)，傳統方案耗時(shí)146秒，方案一僅需2秒（提速73倍），方案二需12秒（提速12倍）；

2.      能量損耗精準控制：通過(guò)連續掃描捕捉更多有效參數，結合加權平均或最小損耗篩選，確保微鏡角度達到最優(yōu)，光信號損耗低于預設閾值；

3.      穩定性更強：連續驅動(dòng)信號減少微鏡啟停波動(dòng)，驅動(dòng)臂應力釋放更均勻，降低角度漂移風(fēng)險；

4.      兼容性廣：支持X、Y方向獨立或同步調節，驅動(dòng)信號波形可靈活切換，適配不同場(chǎng)景需求。

四、技術(shù)優(yōu)勢帶來(lái)的實(shí)際應用價(jià)值

（一）適配高頻場(chǎng)景需求

1.      數據中心：光開(kāi)關(guān)需頻繁切換光路以應對流量波動(dòng)，本方案2秒內完成光路建立，滿(mǎn)足毫秒級響應要求；

2.      5G基站：戶(hù)外環(huán)境對光開(kāi)關(guān)穩定性要求高，連續掃描技術(shù)減少微鏡機械損耗，延長(cháng)使用壽命；

3.      光交叉連接（OXC）設備：多光路并行切換時(shí)，快速掃描能力提升設備整體吞吐量。

（二）降低全生命周期成本

1.      能耗優(yōu)化：連續驅動(dòng)信號的能量利用率高于步進(jìn)信號，減少光開(kāi)關(guān)運行功耗；

2.      維護成本降低：微鏡角度穩定性提升，減少校準頻次；

3.      集成便捷：方案兼容現有MEMS制造工藝，無(wú)需額外改造生產(chǎn)線(xiàn)。

圖12 光交換單元的示意圖

擇合適的光開(kāi)關(guān)是一項需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應商實(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，詳細對比關(guān)鍵參數，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(zhuān)業(yè)的合作伙伴。

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