大容量光交換需求下，M×N MEMS光開(kāi)關(guān)的技術(shù)創(chuàng )新與應用

隨著(zhù)數據中心算力密度的持續提升、5G基站的廣泛部署以及骨干光網(wǎng)絡(luò )的擴容升級，光通信網(wǎng)絡(luò )對“多路輸入、多路輸出”的大容量光交換需求日益迫切。M×N MEMS光開(kāi)關(guān)作為能夠實(shí)現無(wú)阻塞全交換的核心器件，憑借其大容量、高集成度、低損耗的優(yōu)勢，成為滿(mǎn)足這類(lèi)需求的關(guān)鍵支撐。

廣西科毅光通信科技有限公司（官網(wǎng)：www.www.hellosk.com）深耕M×N MEMS光開(kāi)關(guān)領(lǐng)域多年，研發(fā)的MXN系列產(chǎn)品（M≤N≤64）支持多路輸入與多路輸出的全交換，插入損耗≤4.0dB，切換時(shí)間＜20ms，已成功應用于大型數據中心、骨干光網(wǎng)絡(luò )、智能光配系統等場(chǎng)景。本文將從結構分類(lèi)、工作原理、級聯(lián)方案、性能指標、應用場(chǎng)景等維度，全面解析M×N MEMS光開(kāi)關(guān)的技術(shù)特性與核心價(jià)值。

一、M×N MEMS光開(kāi)關(guān)的核心功能與分類(lèi)

M×N MEMS光開(kāi)關(guān)是一種具有多路輸入（M路）和多路輸出（N路）的無(wú)阻塞光交換模塊，其核心功能是實(shí)現任意輸入端口的光信號向任意輸出端口的靈活切換，即“全交換”功能。這種功能特性使其能夠滿(mǎn)足大容量光網(wǎng)絡(luò )中，光鏈路動(dòng)態(tài)調度、負載均衡、故障倒換等需求。

根據內部微型鏡片陣列的分布與工作方式，MXNMEMS光開(kāi)關(guān)主要分為三大類(lèi)：

1.      二維MXNMEMS光開(kāi)關(guān)：微型鏡片在二維平面網(wǎng)格空間排成矩形陣列，通過(guò)控制鏡片偏轉實(shí)現光路切換；

2.      三維MXNMEMS光開(kāi)關(guān)：兩組微型鏡片陣列在自由空間中立體分布，鏡片可沿兩軸任意角度旋轉，實(shí)現大容量全交換；

3.      級聯(lián)式MXNMEMS光開(kāi)關(guān)：由M+N個(gè)1XNMEMS光開(kāi)關(guān)級聯(lián)組成，通過(guò)多級切換實(shí)現全交換功能。

以下是三類(lèi)結構的核心特性對比：

二、二維M×N MEMS光開(kāi)關(guān)：結構與工作原理

二維M×N MEMS光開(kāi)關(guān)是最早實(shí)現商業(yè)化應用的M×N類(lèi)型，其內部結構由M+N個(gè)MEMS微型鏡片組裝成矩形陣列，鏡片分布在二維平面網(wǎng)格空間中。

（一）內部結構示意圖

 圖1 二維M×N MEMS光開(kāi)關(guān)示意圖

（二）核心組件解析

1.      光纖準直器陣列：分為輸入準直器陣列（M路）和輸出準直器陣列（N路），分別負責輸入光信號的準直投射與輸出光信號的耦合接收；

2.      微型鏡片陣列：M+N個(gè)微型鏡片排成矩形陣列，每個(gè)鏡片對應一個(gè)輸入或輸出端口，鏡片可沿單軸或雙軸偏轉，實(shí)現光信號的反射切換；

3.      永磁體陣列：提供穩定的磁場(chǎng)環(huán)境，輔助微型鏡片的偏轉控制，提升偏轉角度的穩定性；

4.      驅動(dòng)控制電路：通過(guò)靜電或電磁驅動(dòng)方式，精準控制每個(gè)微型鏡片的偏轉角度，實(shí)現光路的精準切換。

（三）工作原理

二維MXNMEMS光開(kāi)關(guān)的工作流程如下：

1.      輸入光信號經(jīng)輸入準直器陣列準直后，投射至對應的輸入側微型鏡片；

2.      驅動(dòng)電路控制輸入側鏡片偏轉，將光信號反射至輸出側對應的微型鏡片；

3.      驅動(dòng)電路控制輸出側鏡片偏轉，將光信號反射至目標輸出準直器；

4.      輸出準直器將光信號耦合至輸出光纖，完成光路切換。

例如，當需要將輸入端口1的光信號切換至輸出端口3時(shí)，驅動(dòng)電路控制輸入側鏡片1偏轉至特定角度，將光信號反射至輸出側鏡片3，再控制輸出側鏡片3偏轉，將光信號耦合至輸出端口3。

（四）技術(shù)特點(diǎn)與局限性

二維MXNMEMS光開(kāi)關(guān)的核心優(yōu)勢是控制邏輯簡(jiǎn)單——每個(gè)輸入端口對應一個(gè)輸入側鏡片，每個(gè)輸出端口對應一個(gè)輸出側鏡片，控制指令清晰，易于實(shí)現；同時(shí)，結構相對簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低。

但其局限性也較為明顯：隨著(zhù)端口數的增加，鏡片陣列的規模擴大，光路間隔長(cháng)度不均勻，導致不同端口的插入損耗差異較大（一致性差）；此外，二維平面的空間限制使得端口數難以突破64，無(wú)法滿(mǎn)足超大規模容量需求。

三、三維M×N MEMS光開(kāi)關(guān)：技術(shù)突破與挑戰

三維MXNMEMS光開(kāi)關(guān)是為解決二維結構端口擴展受限、插入損耗一致性差等問(wèn)題而研發(fā)的高性能結構，其核心創(chuàng )新在于將兩組微型鏡片陣列在自由空間中立體布置，每個(gè)鏡片均可沿X軸和Y軸任意角度旋轉，實(shí)現更靈活、更大容量的光交換。

（一）內部結構示意圖

圖2 三維MXNMEMS光開(kāi)關(guān)示意圖

（二）核心技術(shù)突破

1.      立體陣列設計：兩組鏡片陣列分別為“輸入側偏轉陣列”和“輸出側偏轉陣列”，光信號需經(jīng)過(guò)兩次反射實(shí)現切換——輸入側陣列控制光信號的水平方向偏轉，輸出側陣列控制光信號的垂直方向偏轉，通過(guò)兩次偏轉的組合，實(shí)現任意輸入端口到任意輸出端口的切換；

2.      全角度旋轉鏡片：每個(gè)微型鏡片均可沿兩軸實(shí)現±4.5°范圍內的任意角度旋轉，相比二維結構的單軸偏轉，靈活性大幅提升；

3.      高精度對準技術(shù)：通過(guò)激光對準與校準工藝，確保兩組鏡片陣列的位置精度誤差≤1μm，保障光信號的高效耦合。

（三）工作原理

三維M×N MEMS光開(kāi)關(guān)的工作流程如下：

1.      輸入光信號經(jīng)輸入準直器準直后，投射至輸入側鏡片陣列中的對應鏡片；

2.      驅動(dòng)電路控制輸入側鏡片旋轉至特定角度，將光信號反射至輸出側鏡片陣列中的目標鏡片（水平方向定位）；

3.      驅動(dòng)電路控制輸出側鏡片旋轉至特定角度，將光信號反射至目標輸出準直器（垂直方向定位）；

4.      輸出準直器將光信號耦合至輸出光纖，完成全交換。

（四）技術(shù)優(yōu)勢與挑戰

三維M×N MEMS光開(kāi)關(guān)的核心優(yōu)勢的是：

1.      端口容量大：立體結構突破了二維平面的空間限制，可實(shí)現M/N≤64的大容量全交換；

2.      插入損耗一致性好：光路設計對稱(chēng)，不同端口的離軸像差差異小，插入損耗一致性?xún)?yōu)于二維結構；

3.      擴展性強：通過(guò)增加鏡片陣列的規模，可進(jìn)一步提升端口數，滿(mǎn)足超大規模容量需求。

其主要技術(shù)挑戰在于：

1.      鏡片控制精度要求高：需同時(shí)精準控制輸入側與輸出側兩組鏡片的旋轉角度，任何一組鏡片的角度偏差都會(huì )導致光信號耦合效率下降；

2.      裝配工藝復雜：兩組鏡片陣列的立體裝配精度要求極高，裝配過(guò)程中需避免灰塵、振動(dòng)等干擾；

3.      成本較高：雙陣列設計與高精度控制電路導致產(chǎn)品成本高于二維結構。

目前，國內對三維M×N MEMS光開(kāi)關(guān)的研究多處于實(shí)驗階段，廣西科毅通過(guò)多年技術(shù)攻關(guān)，已實(shí)現三維MXN光開(kāi)關(guān)的商業(yè)化量產(chǎn)，其鏡片控制精度、裝配工藝均達到行業(yè)領(lǐng)先水平，產(chǎn)品已應用于國內多個(gè)大型數據中心項目。

四、級聯(lián)式M×N MEMS光開(kāi)關(guān)：方案設計與優(yōu)缺點(diǎn)

除了二維、三維結構外，級聯(lián)式MXNMEMS光開(kāi)關(guān)是實(shí)現全交換的另一種重要方案，其核心思路是通過(guò)M+N個(gè)1×N MEMS光開(kāi)關(guān)的級聯(lián)組合，實(shí)現多路輸入到多路輸出的全交換。

（一）光路組成框圖

圖3 M×N MEMS光開(kāi)關(guān)光路組成框圖

（二）結構設計原理

級聯(lián)式MXNMEMS光開(kāi)關(guān)的結構分為兩級：

1.      第一級（輸入級）：由M個(gè)1XM光開(kāi)關(guān)組成，每個(gè)輸入端口對應一個(gè)1XM光開(kāi)關(guān)，負責將輸入光信號切換至中間傳輸鏈路；

2.      中間傳輸鏈路：M條光纖鏈路，連接輸入級與輸出級；

3.      第二級（輸出級）：由N個(gè)1XN光開(kāi)關(guān)組成，每個(gè)輸出端口對應一個(gè)1XN光開(kāi)關(guān)，負責將中間鏈路的光信號切換至目標輸出端口。

通過(guò)兩級開(kāi)關(guān)的協(xié)同控制，可實(shí)現任意輸入端口到任意輸出端口的全交換——例如，輸入端口1的光信號經(jīng)第一級1XM光開(kāi)關(guān)切換至中間鏈路3，再經(jīng)第二級1XN光開(kāi)關(guān)切換至輸出端口5，完成交換過(guò)程。

（三）方案優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

1.      方案靈活：可根據客戶(hù)需求，通過(guò)組合不同端口數的1XN光開(kāi)關(guān)，快速實(shí)現定制化的MXN全交換方案，無(wú)需重新設計鏡片陣列；

2.      技術(shù)成熟：基于成熟的1XNMEMS光開(kāi)關(guān)技術(shù)，級聯(lián)方案的可靠性高，研發(fā)周期短；

3.      維護便捷：若某一級開(kāi)關(guān)出現故障，可單獨更換故障單元，無(wú)需整體更換設備，降低維護成本。

缺點(diǎn)：

1.      光路復雜：多級切換導致光路熔接與盤(pán)纖難度大，容易引入額外的插入損耗；

2.      集成度低：相比二維、三維結構，級聯(lián)方案需要更多的器件與光路空間，產(chǎn)品體積較大，難以滿(mǎn)足高集成化需求；

3.      切換速度慢：兩級開(kāi)關(guān)的協(xié)同切換導致整體切換時(shí)間較長(cháng)，通常比二維、三維結構慢5~10ms。

因此，級聯(lián)式MXNMEMS光開(kāi)關(guān)更適合用于定制化容量需求、維護便捷性要求高的場(chǎng)景，而二維、三維結構更適合高集成化、大容量、高速切換的場(chǎng)景。

五、M×N MEMS光開(kāi)關(guān)核心性能指標詳解

M×N MEMS光開(kāi)關(guān)的性能指標直接決定其在光網(wǎng)絡(luò )中的應用效果，廣西科毅的M×N系列產(chǎn)品通過(guò)技術(shù)優(yōu)化，關(guān)鍵性能指標達到行業(yè)領(lǐng)先水平，具體參數如下表所示：

六、M×N MEMS光開(kāi)關(guān)的核心應用場(chǎng)景

M×N MEMS光開(kāi)關(guān)憑借其大容量、無(wú)阻塞全交換的特性，已深度應用于光通信網(wǎng)絡(luò )的核心環(huán)節，以下是其典型應用場(chǎng)景：

（一）大型數據中心光網(wǎng)絡(luò )

大型數據中心通常擁有數萬(wàn)甚至數十萬(wàn)臺服務(wù)器，需要通過(guò)光網(wǎng)絡(luò )實(shí)現服務(wù)器之間、服務(wù)器與存儲設備之間的高速互連。MXNMEMS光開(kāi)關(guān)作為數據中心光網(wǎng)絡(luò )的核心交換單元，能夠實(shí)現：

1.      負載均衡：將不同服務(wù)器的光信號動(dòng)態(tài)切換至負載較低的鏈路，提升網(wǎng)絡(luò )傳輸效率；

2.      故障倒換：當某條光鏈路出現故障時(shí)，快速將數據切換至備用鏈路，實(shí)現自愈保護，保障業(yè)務(wù)不中斷；

3.      動(dòng)態(tài)調度：根據業(yè)務(wù)需求，靈活調整光鏈路連接，滿(mǎn)足AI訓練、云計算等大帶寬業(yè)務(wù)的傳輸需求。

廣西科毅的32×64 M×N光開(kāi)關(guān)產(chǎn)品，已應用于國內某大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的數據中心，實(shí)現了數萬(wàn)臺服務(wù)器的光互連，傳輸帶寬達100Gbps，運行穩定可靠。

（二）骨干光網(wǎng)絡(luò )OXC設備

骨干光網(wǎng)絡(luò )是連接不同區域、不同城市的核心通信網(wǎng)絡(luò )，OXC設備作為骨干網(wǎng)絡(luò )的“交通樞紐”，需要實(shí)現海量光鏈路的靈活調度。M×N MEMS光開(kāi)關(guān)作為OXC設備的核心交換模塊，能夠：

1.      實(shí)現不同區域光鏈路的無(wú)阻塞連接，提升網(wǎng)絡(luò )的路由靈活性；

2.      支持光信號的多方向分發(fā)，滿(mǎn)足多播業(yè)務(wù)需求；

3.      快速響應網(wǎng)絡(luò )拓撲變化，實(shí)現鏈路的動(dòng)態(tài)調整與優(yōu)化。

在省級骨干光網(wǎng)絡(luò )中，廣西科毅的16×32 M×N光開(kāi)關(guān)產(chǎn)品，幫助運營(yíng)商實(shí)現了1000余條光鏈路的調度，網(wǎng)絡(luò )自愈時(shí)間縮短至20ms以?xún)取?/span>

（三）智能光配（IODF）系統

智能光配系統是機房、數據中心的核心布線(xiàn)管理設備，需要實(shí)現光鏈路的集中管理、快速配置與實(shí)時(shí)監控。MXNMEMS光開(kāi)關(guān)的集成化特性使其能夠無(wú)縫嵌入IODF設備，實(shí)現：

1.      光端口的遠程控制與自動(dòng)切換，無(wú)需人工現場(chǎng)操作，提升運維效率；

2.      多路光鏈路的集中管理，簡(jiǎn)化機房布線(xiàn)，降低管理成本；

3.      光鏈路狀態(tài)的實(shí)時(shí)監控，及時(shí)發(fā)現并定位故障，縮短故障修復時(shí)間。

（四）5G核心網(wǎng)光傳輸

5G核心網(wǎng)需要實(shí)現基站與核心網(wǎng)節點(diǎn)、核心網(wǎng)節點(diǎn)之間的高速光傳輸，M×N MEMS光開(kāi)關(guān)能夠滿(mǎn)足5G核心網(wǎng)的大容量、低時(shí)延需求：

1.      實(shí)現多個(gè)基站的光信號向核心網(wǎng)節點(diǎn)的集中傳輸，提升傳輸效率；

2.      支持光鏈路的動(dòng)態(tài)調整，滿(mǎn)足5G業(yè)務(wù)的峰值帶寬需求；

3.      低時(shí)延切換（＜20ms）保障5G語(yǔ)音、視頻等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的傳輸質(zhì)量。

M×N MEMS光開(kāi)關(guān)的發(fā)展趨勢與廣西科毅的布局

隨著(zhù)全光通信網(wǎng)絡(luò )向“超高速、超大容量、超智能”方向發(fā)展，MXNMEMS光開(kāi)關(guān)的技術(shù)發(fā)展將呈現三大趨勢：

1.      更高集成度：端口數將從目前的64提升至128甚至256，滿(mǎn)足超大規模容量需求；

2.      更快切換速度：切換時(shí)間將從毫秒級向微秒級突破，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò )自愈與調度效率；

3.      更低損耗：通過(guò)鏡片工藝、準直器設計的優(yōu)化，插入損耗將進(jìn)一步降低，提升光信號傳輸效率。

廣西科毅光通信科技有限公司緊跟行業(yè)發(fā)展趨勢，已啟動(dòng)128端口MXN光開(kāi)關(guān)的研發(fā)，預計2025年實(shí)現量產(chǎn)；同時(shí)，在驅動(dòng)電路集成、封裝工藝優(yōu)化等方面持續投入，致力于推出更高速、更低損耗的產(chǎn)品。

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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