在自主駕駛、激光雷達（Lidar）等新興技術(shù)快速發(fā)展的今天，光開(kāi)關(guān)作為光子集成電路（PIC）的核心組件，承擔著(zhù)光信號引導、發(fā)射與切換的關(guān)鍵作用。傳統波束控制方案（如微鏡陣列、光學(xué)相控陣）面臨視場(chǎng)有限、控制復雜、對激光器要求苛刻等痛點(diǎn)，而MEMS（微機電系統）光開(kāi)關(guān)憑借緊湊結構、快速切換、高消光比等優(yōu)勢，成為芯片級激光雷達（固態(tài)激光雷達）的理想選擇。廣西科毅光通信深耕光通信領(lǐng)域，將專(zhuān)利級MEMS光開(kāi)關(guān)技術(shù)落地量產(chǎn)，為行業(yè)提供高效、穩定的光開(kāi)關(guān)解決方案。

一、MEMS光開(kāi)關(guān)核心技術(shù)優(yōu)勢

相較于傳統光開(kāi)關(guān)（熱光開(kāi)關(guān)、液晶開(kāi)關(guān)等），MEMS光開(kāi)關(guān)在性能上實(shí)現多重突破，尤其適配激光雷達等高精度場(chǎng)景：

1.      耦合效率可控：開(kāi)啟狀態(tài)下總線(xiàn)波導與耦合波導/光學(xué)天線(xiàn)耦合效率≥50%，關(guān)閉狀態(tài)≤1%，信號切換精準無(wú)干擾；

2.      切換速度快：依托MEMS靜電致動(dòng)器與輕量化耦合器設計，切換響應速度滿(mǎn)足激光雷達高頻工作需求；

3.      結構緊湊：?jiǎn)纹捎赑IC芯片，可形成二維陣列布局，大幅節省安裝空間；

4.      控制簡(jiǎn)單：無(wú)需復雜電子器件，支持行/列尋址或子陣列同步控制，降低系統集成成本；

5.      穩定性強：采用固定光學(xué)天線(xiàn)+可移動(dòng)耦合器設計，避免機械磨損，延長(cháng)使用壽命。

二、MEMS光開(kāi)關(guān)核心結構與工作原理

MEMS光開(kāi)關(guān)的核心設計圍繞“電壓控制距離、距離調節耦合效率”展開(kāi)，主要包含三種專(zhuān)利結構方案，均已通過(guò)廣西科毅光通信技術(shù)驗證：

（一）基礎型MEMS光開(kāi)關(guān)：梳狀驅動(dòng)結構

核心組成包括基板支撐的總線(xiàn)波導、致動(dòng)電極與反應電極。致動(dòng)電極帶有垂直于基板的鰭部，與反應電極的叉指鰭部形成梳狀驅動(dòng)器，通過(guò)電壓差控制反應電極位置：

6.      電壓差＜下閾值（接近0V或±5V以?xún)龋悍磻姌O距總線(xiàn)波導為第一距離（≥650nm），光信號沿總線(xiàn)波導無(wú)干擾傳輸，開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)；

7.      電壓差＞上閾值：反應電極移動(dòng)至第二距離（≤180nm），光信號高效耦合至耦合波導或光學(xué)天線(xiàn)，開(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟狀態(tài)。

圖1 光開(kāi)關(guān)陣列系統的頂視圖

圖2 光開(kāi)關(guān)陣列系統的側視圖

（二）增強型MEMS光開(kāi)關(guān)：排斥電極輔助控制

在基礎結構上增加排斥電極，與致動(dòng)電極配合形成“吸引力+排斥力”雙控機制：

8.      致動(dòng)電極與反應電極施加相反極性電壓（產(chǎn)生吸引力），排斥電極與反應電極施加相同極性電壓（產(chǎn)生排斥力）；

9.      當吸引力＜排斥力時(shí)，反應電極保持第一距離（關(guān)閉狀態(tài)）；當吸引力＞排斥力時(shí)，反應電極移動(dòng)至第二距離（開(kāi)啟狀態(tài)）；

10.    部分方案增設光電檢測器與閉環(huán)反饋機制，實(shí)時(shí)調節電壓差，確保耦合效率穩定。

圖3  在懸置層上具有可移動(dòng)光耦合器并且在基板層上具有固定光學(xué)天線(xiàn)的開(kāi)關(guān)陣烈布局的頂視圖，其中詳細說(shuō)明了單個(gè)元件

（三）陣列型MEMS光開(kāi)關(guān)：多通道波束控制

通過(guò)總線(xiàn)波導分路、光開(kāi)關(guān)陣列布局，實(shí)現二維波束控制，核心組成包括：

11.    固定光學(xué)天線(xiàn)陣列（可按行/列選擇性啟用）；

12.    懸掛式耦合波導（與反應電極同步移動(dòng)）；

13.    多組致動(dòng)電極（獨立控制單個(gè)或子陣列開(kāi)關(guān)）；

14.    支持發(fā)射、接收或收發(fā)一體模式，適配激光雷達ToF（飛行時(shí)間）與FMCW（調頻連續波）操作。

圖4 在開(kāi)關(guān)陣列中具有光耦合懸臂和固定光學(xué)天線(xiàn)的光開(kāi)關(guān)的透視圖

圖5 二維固定光學(xué)天線(xiàn)的透視圖

三、關(guān)鍵組件設計解析

1.光學(xué)天線(xiàn)與耦合波導

15.    光學(xué)天線(xiàn)：采用光柵結構，可設計為單行/單列或二維陣列，固定于基板層（避免移動(dòng)影響性能），支持光信號在自由空間的定向發(fā)射/接收；

16.    耦合波導：懸掛于總線(xiàn)波導上方，采用漸變錐形設計（尖端寬度0.08-0.2μm，基部0.2-0.5μm），縮短耦合長(cháng)度并降低傳輸損耗。

圖6 總線(xiàn)波導和對應的耦合器波導的透視圖

2.致動(dòng)與限位機制

17.    靜電致動(dòng)：通過(guò)電極間電壓差產(chǎn)生靜電力，驅動(dòng)耦合波導/反應電極移動(dòng)，電壓需求低（典型值40V可實(shí)現620nm位移）；

18.    非機械限位：采用靜電懸浮或梳狀驅動(dòng)器替代傳統機械限位器，避免摩擦磨損，延長(cháng)使用壽命。

圖7 具有梳狀驅動(dòng)器的開(kāi)關(guān)的透視圖,該梳狀驅動(dòng)器用于控制總線(xiàn)波導與光柵之間的耦合距離

圖8 沿著(zhù)圖45A的切口的橫截面圖,其圖示了梳狀驅動(dòng)器

3.陣列控制方案

19.    行/列尋址：M×N陣列僅需M+N個(gè)控件，通過(guò)激活目標行與列的電極實(shí)現單個(gè)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)（如圖7）；

圖9 被配置成獨立尋址行和列的開(kāi)關(guān)陣列系統的示圖

20.    子陣列同步：支持多個(gè)子陣列同時(shí)啟動(dòng)，適配大范圍波束掃描需求（如圖8）；

圖10 被配置成同時(shí)尋址子陣列的開(kāi)關(guān)陣列系統的示圖

21.    分路樹(shù)組合：結合分路樹(shù)與二元開(kāi)關(guān)，實(shí)現光功率均勻分配或選擇性引導（如圖11、12）。

圖11 包括分路樹(shù)(splitter tree)和光開(kāi)關(guān)的光開(kāi)關(guān)陣列系統的透視圖圖

圖12 包括分路樹(shù)和至少兩種類(lèi)型的光開(kāi)關(guān)的光開(kāi)關(guān)陣列系統的透視圖

四、核心性能參數與測試數據

廣西科毅光通信通過(guò)大量實(shí)驗驗證，MEMS光開(kāi)關(guān)關(guān)鍵性能指標如下：

圖13 耦合效率關(guān)于耦合錐形(taper)長(cháng)度的圖形表示

圖14 傳輸損耗關(guān)于波長(cháng)的圖形表示

圖15 沿Z軸的位移關(guān)于切換速度的圖形表示

圖16 強度關(guān)于發(fā)射角的圖形表示

五、應用場(chǎng)景

MEMS光開(kāi)關(guān)憑借高可靠性與靈活適配性，已廣泛應用于：

1.      芯片級激光雷達：適配自主車(chē)輛、無(wú)人機的環(huán)境感知系統，實(shí)現大范圍、高精度波束掃描；

2.      光通信設備：作為光子集成電路的核心切換組件，用于數據中心、光纖通信的光信號路由；

3.      傳感系統：工業(yè)傳感、生物傳感等領(lǐng)域的光信號精準控制與傳輸；

4.      軍工電子：小型化、高穩定性需求的特種光電子設備。

圖17 接收和發(fā)射光信號的光開(kāi)關(guān)陣列系統的透視圖

六、廣西科毅光通信技術(shù)實(shí)力

廣西科毅光通信（官網(wǎng)：www.www.hellosk.com）專(zhuān)注光開(kāi)關(guān)、光耦合器等光通信核心器件的研發(fā)與量產(chǎn)，依托專(zhuān)利級MEMS技術(shù)，實(shí)現從芯片設計、封裝測試到系統集成的全鏈條服務(wù)。公司產(chǎn)品通過(guò)嚴苛環(huán)境測試，適配-40℃~85℃工作溫度范圍，已為多家激光雷達廠(chǎng)商、通信設備商提供定制化解決方案。

我們始終以“技術(shù)創(chuàng )新驅動(dòng)產(chǎn)品升級”為核心，持續優(yōu)化MEMS光開(kāi)關(guān)的耦合效率、切換速度與穩定性，助力客戶(hù)攻克技術(shù)痛點(diǎn)，提升產(chǎn)品競爭力。

擇合適的光開(kāi)關(guān)及光衰減器等光學(xué)器件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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