一、光通信行業(yè)痛點(diǎn)：傳統光開(kāi)關(guān)的技術(shù)瓶頸

在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )、高清視頻、云計算等大數據服務(wù)的推動(dòng)下，光通訊網(wǎng)絡(luò )和數據中心進(jìn)入高速發(fā)展階段。然而，傳統光通訊網(wǎng)絡(luò )和數據中心依賴(lài)光-電-光轉換的交換方式，早已面臨嚴重的帶寬瓶頸。為突破這一限制，光交換技術(shù)自20世紀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(kāi)關(guān)的研發(fā)始終是亟待解決的技術(shù)難題。

目前商業(yè)應用中，主流光交叉互連器件以MEMS（微機電系統）微鏡陣列或LCoS（硅基液晶）為主，這類(lèi)器件采用自由空間光傳輸方式，對光學(xué)對準和環(huán)境因素要求嚴苛，且體積龐大，無(wú)法滿(mǎn)足單片集成的需求。在科研領(lǐng)域，基于平面光波導的光交叉互連器件雖被廣泛研究，包括馬赫-陳德?tīng)柛缮嫘g(shù)光開(kāi)關(guān)、熱光效應硅基光開(kāi)關(guān)陣列等，但這些方案始終未能平衡光學(xué)損耗、端口擴展性、切換速度、尺寸、能耗、單片集成及魯棒性等綜合性能，難以在數據中心等核心場(chǎng)景落地應用。

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)域多年，針對行業(yè)痛點(diǎn)自主研發(fā)的層狀結構光開(kāi)關(guān)，憑借創(chuàng )新設計突破傳統技術(shù)限制，為光通信行業(yè)提供低損耗、易集成、高可靠的光開(kāi)關(guān)解決方案。

二、光開(kāi)關(guān)核心創(chuàng )新：層狀結構與偏振態(tài)控制技術(shù)

（一）光開(kāi)關(guān)整體結構設計

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

圖1 光開(kāi)關(guān)層狀結構橫截面示意圖一

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)器件提供穩定的支撐基礎。

2.      光開(kāi)關(guān)控制層：包含電開(kāi)關(guān)、驅動(dòng)電極層、絕緣材料及導線(xiàn)，部分結構還設有金屬防護層。電開(kāi)關(guān)優(yōu)選CMOS（互補金屬氧化物半導體）電開(kāi)關(guān)，利于器件集成，其驅動(dòng)電路采用直流驅動(dòng)模式；驅動(dòng)電極層與旋轉器電性連接，通過(guò)導線(xiàn)實(shí)現與電開(kāi)關(guān)的信號傳輸；絕緣材料選用二氧化硅，絕緣效果好且成本低廉；金屬防護層可提升器件整體強度，延長(cháng)使用壽命。

3.      下層包層：材料為二氧化硅，設于光開(kāi)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，包含對輸入光波偏振態(tài)進(jìn)行控制的旋轉器和基于光波偏振態(tài)切換輸出方向的平面波導，部分結構還設有取向膜層或上下層工作電極，用于精準控制液晶分子取向。

5.      上絕緣層：位于器件最上層，起到保護內部結構、防止外界干擾的作用。

（二）平面波導結構與傳輸原理

平面波導是光開(kāi)關(guān)的核心傳輸單元，包括橫向波導、縱向波導、轉向波導和包覆三者的包層。橫向波導與縱向波導垂直相交，轉向波導的一端與橫向波導連接處連接，另一端與縱向波導連接處連接，形成“十字交叉+轉向”的傳輸路徑設計。

圖2 光開(kāi)關(guān)層狀結構橫截面示意圖二

橫向波導和縱向波導的波導本體寬度優(yōu)選8微米，這一設計讓兩者相交處擁有較寬的模場(chǎng)，可有效抑制交叉損耗；且橫向波導與縱向波導長(cháng)度保持一致，確保傳輸一致性。轉向波導優(yōu)選90度轉向設計，可將橫向傳輸的光波精準轉向至縱向波導，實(shí)現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、縱向波導及轉向波導的材料折射率，使得光波在波導內傳輸時(shí)，在波導與包層的邊界處發(fā)生全反射，從而將光波約束在波導內部，避免傳輸損耗。

（三）旋轉器結構與偏振態(tài)控制機制

旋轉器是實(shí)現光波傳輸方向切換的關(guān)鍵組件，分為橫向旋轉器和縱向旋轉器，分別對應橫向波導和縱向波導的偏振態(tài)控制。

橫向旋轉器包括橫向液晶波導和分布在其兩側的橫向電極，縱向旋轉器包括縱向液晶波導和分布在其兩側的縱向電極。電極分為驅動(dòng)電極和接地電極，對稱(chēng)分布在液晶波導兩側，驅動(dòng)電極與驅動(dòng)電壓連接，接地電極用于接地，通過(guò)電極間電場(chǎng)的有無(wú)及強度變化，控制液晶分子的排列方式。

圖3 橫向旋轉器電極與液晶波導布局示意圖一

圖4 橫向旋轉器電極與液晶波導布局示意圖二

橫向液晶波導與橫向波導本體通過(guò)橫向錐形漸變波導連接，縱向液晶波導與縱向波導本體通過(guò)縱向錐形漸變波導連接。由于液晶波導寬度（2微米）小于波導本體寬度（8微米），錐形漸變波導可有效減少模場(chǎng)轉換過(guò)程中的損耗，確保光波傳輸的連續性。

旋轉器對光波偏振態(tài)的控制原理如下：

1.      維持偏振態(tài)：當電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電極未接通電源，液晶波導內不產(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.      旋轉偏振態(tài)：當電開(kāi)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排列，從而改變光波偏振態(tài)。偏振態(tài)旋轉角度可根據實(shí)際需求設定，優(yōu)選90度旋轉，以實(shí)現傳輸方向的切換。

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傳輸方向逐漸變化，使得液晶波導內產(chǎn)生電場(chǎng)強度漸變的電場(chǎng)。這種漸變電場(chǎng)可精準控制液晶分子排布的旋轉距離和變化速度，在實(shí)現偏振態(tài)旋轉的同時(shí)，最大限度降低光傳輸損耗。

三、光開(kāi)關(guān)核心材料選型：平衡性能與成本

材料選型是光開(kāi)關(guān)實(shí)現高性能的關(guān)鍵，廣西科毅通過(guò)精準匹配材料特性，確保器件的穩定性、低損耗和易加工性。

（一）核心材料組合方案

方案一：橫向液晶波導和縱向液晶波導采用雙折射液晶材料（如E7液晶，主要成分為氧基聯(lián)苯類(lèi)化合物），橫向波導和縱向波導本體采用雙折射材料，轉向波導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：轉向波導采用雙折射材料（如金紅石相二氧化鈦TiO?），橫向波導和縱向波導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），橫向液晶波導和縱向液晶波導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?xún)?yōu)勢

1.      雙折射液晶材料：具有良好的偏振態(tài)調控能力，響應速度快，可實(shí)現光波偏振態(tài)的精準切換，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匹配，確保光波在不同波導間傳輸時(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)穩定，與其他材料兼容性好。

四、光開(kāi)關(guān)兩大結構版本：適配不同應用需求

（一）取向膜層版本

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

該版本光開(kāi)關(guān)結構簡(jiǎn)單，可靠性高，開(kāi)關(guān)時(shí)間可達1ms，適用于對響應速度要求適中、注重穩定性的應用場(chǎng)景。

圖5 帶取向膜層的光開(kāi)關(guān)橫截面示意圖

（二）上下層工作電極版本

工作層增設上層工作電極，設于波導層與上絕緣層之間；光開(kāi)關(guān)控制層增設下層工作電極，設于驅動(dòng)電極層中，平面波導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中產(chǎn)生電場(chǎng)，通過(guò)電場(chǎng)精準控制液晶分子的垂直取向分布。

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

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

1.      結構緊湊，易集成：層狀設計大幅縮小器件尺寸，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，解決傳統器件體積大、難集成的痛點(diǎn)。

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

3.      響應速度快：兩種結構版本開(kāi)關(guān)時(shí)間分別低至1ms和0.15ms，可滿(mǎn)足不同場(chǎng)景下的切換需求，適配高頻數據傳輸。

4.      可靠性強：采用成熟的材料體系和工藝設計，金屬防護層提升器件機械強度，絕緣材料確保電氣隔離穩定性，抗干擾能力（魯棒性）突出。

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

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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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