每年，全球數據量的增長(cháng)曲線(xiàn)都在變得更加陡峭。我們手機里的視頻、云端不斷訓練的AI模型、工廠(chǎng)里流動(dòng)的傳感器信息，所有這些都在逼迫著(zhù)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行一場(chǎng)靜默的革命。作為這場(chǎng)革命的核心物理層器件，光開(kāi)關(guān)的性能，直接決定著(zhù)數據“立交橋”的效率和容量。

傳統的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI）光開(kāi)關(guān)有個(gè)“老毛病”：由于納米級的制造誤差幾乎無(wú)法避免，每個(gè)開(kāi)關(guān)單元在出廠(chǎng)時(shí)，其“開(kāi)”和“關(guān)”的初始狀態(tài)都會(huì )偏離設計值。這聽(tīng)起來(lái)似乎只是個(gè)小小的偏差，但當你要把成千上萬(wàn)個(gè)這樣的單元集成到一塊芯片上，組成一個(gè)大規模光交換陣列時(shí)，問(wèn)題就變得無(wú)比棘手。工程師不得不為每一個(gè)單元配備監控探測器和額外的加熱電極，實(shí)時(shí)進(jìn)行相位補償。這不僅讓控制系統復雜得像一團亂麻，更帶來(lái)了巨大的額外功耗和光信號損耗?？梢哉f(shuō)，“校準”二字，成了束縛大規模光開(kāi)關(guān)陣列發(fā)展的最大枷鎖。

那么，能否打造一種天生就“規整”，幾乎不需要校準的光開(kāi)關(guān)單元呢？我們的研究給出了一條清晰的路徑：核心思路是“展寬波導，馴服光場(chǎng)”。

(一)從“纖細”到“寬厚”：讓波導對誤差不再敏感

想象一下，在一條狹窄的小巷里，墻壁上的一點(diǎn)凹凸都會(huì )讓行人感到局促；而在一條寬闊的大道上，同樣的凹凸則幾乎無(wú)法被察覺(jué)。傳統硅光波導就像那條小巷，寬度通常在500納米以下，相當于頭發(fā)絲的百分之一。如此微小的尺寸下，側壁哪怕只有幾個(gè)原子的粗糙起伏，都會(huì )顯著(zhù)改變光傳播的相位，這就是“隨機相位誤差”的主要來(lái)源。

我們的突破在于，大膽地將MZI干涉臂中關(guān)鍵的“相移區”波導寬度，從傳統的450納米，增加到了1微米甚至2微米。同時(shí)，將其長(cháng)度從幾百微米大幅縮短至30微米。這樣做的好處是雙重的：第一，更寬的波導使得光場(chǎng)分布更加“舒展”

，對側壁的局部變化變得不敏感；第二，更短的長(cháng)度意味著(zhù)即便有誤差，累積的效應也大大減小。

2微米寬相移區波導的MZI結構顯微鏡圖

理論計算令人振奮：僅僅通過(guò)這一項改變，開(kāi)關(guān)單元對寬度制造誤差的敏感度（即歸一化相位誤差）就能降低一到兩個(gè)數量級。實(shí)驗數據更是有力地支撐了這一點(diǎn)：我們對上百個(gè)不同寬度的開(kāi)關(guān)單元進(jìn)行了測試統計，發(fā)現將相移區拓寬至2微米后，其隨機相位誤差的平均值和波動(dòng)范圍，分別降至傳統設計的約1/375和1/11。這意味著(zhù)，大部分開(kāi)關(guān)在制造完成后，其初始狀態(tài)就已經(jīng)非常接近理想的“開(kāi)”或“關(guān)”，所需的校準功耗微乎其微。

(二)彎曲處的藝術(shù)：歐拉曲線(xiàn)與模場(chǎng)濾波

然而，一個(gè)完整的MZI開(kāi)關(guān)單元不僅僅只有相移區。連接分束器的彎曲波導（S-bend）往往很長(cháng)，是另一個(gè)誤差積累的“重災區”。而且，當我們把相移區拓寬后，如果連接它的仍然是傳統的單模彎曲波導，就會(huì )形成“寬-窄-寬”的瓶頸，不僅引入損耗，還可能激發(fā)我們不希望的高階模式光，導致串擾惡化。

為此，我們設計了一種獨特的“寬度漸變歐拉彎曲波導”。歐拉曲線(xiàn)是一種曲率連續變化的曲線(xiàn)，常用于高速公路的設計，能讓車(chē)輛平滑過(guò)渡。我們將其應用于光波導，并讓波導的寬度也從起始端到末端平滑漸變。這樣設計出的S彎，不僅自身非常緊湊（面積僅約9x9微米2），而且光在其中傳輸非常順暢，損耗極低。

基于歐拉彎曲波導的低隨機相位誤差開(kāi)關(guān)單元結構示意圖

但問(wèn)題又來(lái)了：寬波導可以支持多個(gè)模式，從前面多模干涉耦合器（MMI）泄露過(guò)來(lái)的一點(diǎn)點(diǎn)高階模，在寬波導里可能“如魚(yú)得水”，跑到輸出端造成干擾。我們的解決辦法頗為巧妙：在歐拉彎曲的一個(gè)特定位置，引入一段非?？拷?、寬度不同的“伴侶波導”，構成一個(gè)非對稱(chēng)的定向耦合器。這個(gè)結構對基模光幾乎沒(méi)影響，卻能將偷偷溜進(jìn)來(lái)的高階模巧妙地“勾走”，耦合到旁邊的波導中耗散掉。這樣一來(lái)，我們就實(shí)現了“低誤差”和“低串擾”的兼得。

(三)邁向“無(wú)校準”陣列：從單元到系統

基于上述的低隨機相位誤差單元，我們首次在實(shí)驗上成功搭建并測試了無(wú)需初始校準的4×4、8×8乃至16×16 MZI光開(kāi)關(guān)陣列。這標志著(zhù)，復雜的外部反饋控制系統可以被極大簡(jiǎn)化。

以4x4陣列為例，在完全不施加任何校準電壓的“出廠(chǎng)狀態(tài)”下，其所有通道的插入損耗約為3dB，串擾優(yōu)于-20dB。當我們給所有開(kāi)關(guān)單元施加一個(gè)統一的、標準的切換電壓，使其全部切換到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)，性能依然保持穩定。更令人鼓舞的是，我們成功通過(guò)該陣列實(shí)現了30Gbps的高速數據路由切換，眼圖清晰張開(kāi)，證明了其在真實(shí)系統中的實(shí)用性。

無(wú)校準4×4 MZI光開(kāi)關(guān)陣列傳輸光譜

從被制造誤差牽著(zhù)鼻子走，到通過(guò)結構設計使其影響變得微不足道，低隨機相位誤差MZI光開(kāi)關(guān)單元代表了一種設計哲學(xué)的根本轉變。它讓大規模光交換陣列擺脫了校準的沉重負擔，朝著(zhù)更高集成度、更低功耗、更易控制的方向邁出了關(guān)鍵一步。

在廣西科毅光通信，我們不僅關(guān)注這樣的前沿突破，更致力于思考如何將這些實(shí)驗室的創(chuàng )新，轉化為客戶(hù)手中穩定、可靠的產(chǎn)品。我們知道，通往全光交換時(shí)代的道路上，每一個(gè)“無(wú)需校準”的開(kāi)關(guān)單元，都是一塊堅實(shí)的鋪路石。

擇合適的光開(kāi)關(guān)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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