光通信系統的規?；l(fā)展，對光開(kāi)關(guān)的集成度、穩定性、切換速度和損耗控制提出了越來(lái)越高的要求。傳統機械光開(kāi)關(guān)與微機電系統（MEMS）光開(kāi)關(guān)因存在物理移動(dòng)部件，不僅開(kāi)關(guān)速度受限，還容易受環(huán)境振動(dòng)影響，長(cháng)期使用的穩定性難以保障。而平面光波線(xiàn)路（PLC）技術(shù)的出現，徹底改變了這一現狀——它利用波導材料的物理效應實(shí)現光路切換，無(wú)需任何移動(dòng)部件，兼具集成度高、穩定性強、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。

其中，硅基SiO?光波導技術(shù)憑借與現有半導體工藝高度兼容、傳輸損耗低、制造成本可控等突出優(yōu)勢，成為構建多端口矩陣光開(kāi)關(guān)的核心技術(shù)方向。但傳統矩陣光開(kāi)關(guān)多為“空分型”設計，通信線(xiàn)路物理分離，僅能實(shí)現一對一通信，無(wú)法滿(mǎn)足同一信號多端口同時(shí)輸出的需求，極大限制了光通信系統的靈活調度能力。例如在數據中心場(chǎng)景中，當多個(gè)終端需要同時(shí)獲取同一數據源的信號時(shí)，傳統光開(kāi)關(guān)的“一對一”限制會(huì )導致信號傳輸效率低下，無(wú)法適配密集型數據交互需求。

對此，我們廣西科毅光通信基于Mach-Zehnder干涉儀（MZI）優(yōu)化設計，研發(fā)出具備多路連接功能的新型波導矩陣光開(kāi)關(guān)，成功實(shí)現1:k（k>1）的多端口互聯(lián)，徹底解決傳統光開(kāi)關(guān)的通信方式局限，為光通信系統提供更靈活、高效的光路解決方案。

一、新型波導矩陣光開(kāi)關(guān)的核心技術(shù)原理

（一）MZI干涉儀：開(kāi)關(guān)單元的核心設計

新型波導矩陣光開(kāi)關(guān)的核心單元的是優(yōu)化后的Mach-Zehnder干涉儀（MZI），其基本結構由兩個(gè)3dB耦合器和兩條等長(cháng)波導臂組成，其中一條波導臂蒸鍍金屬薄膜（加熱器），通過(guò)熱光效應改變光信號的相位，進(jìn)而實(shí)現光路切換與功率分配。

Mach-Zehnder干涉儀結構

光信號在MZI單元中的相位差滿(mǎn)足公式：Δφ=2π/λ·Δn·L（其中λ為真空中波長(cháng)，Δn為加電后波導臂的折射率變化，L為金屬薄膜長(cháng)度）。

基于這一原理，我們定義了兩種核心開(kāi)關(guān)單元：

開(kāi)關(guān)單元a：未加電時(shí)，輸入光信號經(jīng)3dB耦合器功率均分后，兩條波導臂無(wú)相位差，最終由指定輸出端口（如2'）輸出；當對加熱器加電，使相位差Δφ=π時(shí)，光信號切換至另一輸出端口（如1'），實(shí)現光路的“開(kāi)-關(guān)”切換。

 開(kāi)關(guān)單元b：當加熱器加電使相位差Δφ=π/2時(shí)，輸入光信號的功率會(huì )被平均分配至兩個(gè)輸出端口（如1'和2'），實(shí)現同一信號的多端口同步輸出，這也是解決傳統光開(kāi)關(guān)“一對一”局限的關(guān)鍵設計。

MZI單元功能示意圖

通過(guò)這兩種開(kāi)關(guān)單元的組合，新型波導矩陣光開(kāi)關(guān)能夠實(shí)現多樣化的光路調度：既可以實(shí)現單一信號的定向切換，也可以實(shí)現同一信號的多端口均分輸出，完美適配一對多、多對多的通信需求。

（二）Banyan網(wǎng)絡(luò )結構：低損耗的多端口互聯(lián)設計

為構建2×2、4×4等多端口矩陣光開(kāi)關(guān)，我們采用蝶形交叉連接的Banyan網(wǎng)絡(luò )結構，相比傳統Crossbar結構，該設計具有兩大核心優(yōu)勢：

1.  光路損耗一致性更好：傳統Crossbar結構存在多路徑損耗差異，而B(niǎo)anyan網(wǎng)絡(luò )通過(guò)標準化交叉設計，有效降低路徑損耗波動(dòng)；

2.  插入損耗更低：Banyan網(wǎng)絡(luò )以更少的聯(lián)接級數實(shí)現多端口互聯(lián)，相比光路補償型Crossbar結構，進(jìn)一步減少光信號在傳輸過(guò)程中的損耗。

在Banyan網(wǎng)絡(luò )中，波導間的交叉角度會(huì )直接影響交叉損耗。我們通過(guò)OptiBPM軟件仿真發(fā)現：當交叉角大于30°時(shí)，交叉損耗可控制在0.1dB以下，幾乎不影響系統整體性能。因此，我們在設計中設定波導交叉角為30°，此時(shí)斜波導與直波導交叉損耗僅0.09dB，兩反方向斜波導交叉損耗小于0.01dB，在端口數較少的矩陣光開(kāi)關(guān)中可忽略不計。

波導交叉角損耗變化曲線(xiàn)

二、2×2與4×4波導矩陣光開(kāi)關(guān)的結構與性能

基于MZI核心單元與Banyan網(wǎng)絡(luò )結構，我們成功研發(fā)出2×2和4×4兩種規格的多端口波導矩陣光開(kāi)關(guān)，覆蓋不同場(chǎng)景的應用需求。

（一）2×2多端口光開(kāi)關(guān)：靈活的小容量光路調度

2×2多端口光開(kāi)關(guān)由開(kāi)關(guān)單元a和開(kāi)關(guān)單元b組合而成，相比傳統2×2光開(kāi)關(guān)，其最大優(yōu)勢是具備3種輸出模式：?jiǎn)我欢丝谌β瘦敵觯?'或2'）、雙端口功率均分輸出（1'和2'各輸出50%功率），徹底打破傳統光開(kāi)關(guān)“一對一”的輸出限制。

2×2多端口波導矩陣光開(kāi)關(guān)結構

在實(shí)際應用中，2×2光開(kāi)關(guān)的靈活輸出模式可適配多種場(chǎng)景：例如在小型數據中心，當終端A需要獲取完整信號時(shí)，可通過(guò)開(kāi)關(guān)單元a設定單一端口輸出；當終端A和終端B需要同時(shí)獲取該信號時(shí)，可切換至開(kāi)關(guān)單元b的雙端口均分輸出模式，無(wú)需額外增加信號轉發(fā)設備，極大簡(jiǎn)化系統架構。

（二）4×4多端口光開(kāi)關(guān)：大容量多維度互聯(lián)

4×4多端口光開(kāi)關(guān)采用層級化Banyan網(wǎng)絡(luò )結構，將多個(gè)MZI單元按蝶形交叉方式組合，不僅能實(shí)現任一輸入端口與輸出端口的定向連接，還支持同一輸入信號在多個(gè)輸出端口同時(shí)輸出，從根本上避免多端口對同一信號的競爭問(wèn)題。

ALT標簽：4×4多端口波導矩陣光開(kāi)關(guān)結構-廣西科毅光通信

4×4光開(kāi)關(guān)的核心優(yōu)勢在于“無(wú)阻塞調度”：通過(guò)合理設計驅動(dòng)電極，無(wú)論輸入信號如何分配，都能找到對應的無(wú)沖突光路，確保信號傳輸的穩定性。例如在長(cháng)途光通信網(wǎng)絡(luò )中，4×4光開(kāi)關(guān)可實(shí)現4路輸入信號與4路輸出信號的任意組合互聯(lián)，既支持單信號多端口分發(fā)，也支持多信號定向切換，適配復雜網(wǎng)絡(luò )拓撲的調度需求。

（三）關(guān)鍵性能參數：低損耗、高速響應、高穩定性

為驗證產(chǎn)品性能，我們基于PLC技術(shù)完成SiO?基MZI單元、2×2及4×4光開(kāi)關(guān)的制作與封裝，并進(jìn)行全面的性能測試，核心測試結果如下：

2×2與4×4波導矩陣光開(kāi)關(guān)實(shí)物

2×2光開(kāi)關(guān)性能：

?    插入損耗：2.25dB（行業(yè)同類(lèi)產(chǎn)品平均水平約3dB）；

?    開(kāi)關(guān)響應時(shí)間：0.8ms（<1ms，滿(mǎn)足高速調度需求）；

?    串擾：43dB（信號隔離度高，抗干擾能力強）；

?    最高功耗：700mW（能耗控制優(yōu)異）。

 4×4光開(kāi)關(guān)性能：

?    平均插入損耗：4.3dB（多端口結構下仍保持低損耗優(yōu)勢）；

?    平均偏振相關(guān)損耗（PDL）：0.4dB（偏振穩定性好）；

?    平均串擾：37dB（信號干擾小，傳輸質(zhì)量高）；

?    開(kāi)關(guān)響應時(shí)間：<1ms（全端口一致化高速響應）；

?    波長(cháng)一致性：1530-1570nm波長(cháng)范圍內，插入損耗曲線(xiàn)基本重合，最小插入損耗約4.0dB（適配DWDM系統的多波長(cháng)需求）。

4×4波導矩陣光開(kāi)關(guān)插入損耗隨功率變化曲線(xiàn)

測試數據表明，新型波導矩陣光開(kāi)關(guān)的插入損耗、開(kāi)關(guān)速度、串擾等核心指標均達到行業(yè)領(lǐng)先水平，且器件封裝體積小、穩定性強，完全滿(mǎn)足商業(yè)光通信系統的應用要求。

三、新型波導矩陣光開(kāi)關(guān)的產(chǎn)品優(yōu)勢與行業(yè)應用場(chǎng)景

（一）核心競爭優(yōu)勢

相比傳統光開(kāi)關(guān)與同類(lèi)產(chǎn)品，廣西科毅光通信的新型波導矩陣光開(kāi)關(guān)具有以下四大核心優(yōu)勢：

1.  多端口靈活互聯(lián)：支持一對多、多對多通信，同一信號可實(shí)現多端口同時(shí)輸出，打破傳統光開(kāi)關(guān)的通信限制；

2.  低損耗高傳輸效率：基于SiO?波導與Banyan網(wǎng)絡(luò )設計，2×2開(kāi)關(guān)插入損耗僅2.25dB，4×4開(kāi)關(guān)平均插入損耗4.3dB，遠低于行業(yè)平均水平；

3.  高速響應無(wú)延遲：開(kāi)關(guān)響應時(shí)間<1ms，適配光通信系統的高速調度需求，無(wú)信號傳輸卡頓；

4.  高穩定性長(cháng)壽命：采用PLC技術(shù)，無(wú)移動(dòng)部件，抗振動(dòng)、抗環(huán)境干擾能力強，使用壽命遠超MEMS光開(kāi)關(guān)；

5.  高集成度低成本：與半導體工藝兼容，可批量生產(chǎn)，且器件體積小，便于系統集成，降低整體部署成本。

（二）典型應用場(chǎng)景

1.  密集波分復用（DWDM）系統：適配多波長(cháng)信號的靈活調度，支持同一波長(cháng)信號多端口分發(fā)，提升系統帶寬利用率；

2.  數據中心互聯(lián)：滿(mǎn)足多終端與數據源的高效交互，簡(jiǎn)化數據中心內部光路架構，降低能耗與維護成本；

3.  長(cháng)途光通信網(wǎng)絡(luò )：實(shí)現骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)的光路切換與故障冗余備份，當某一路徑故障時(shí)，可快速切換至備用光路，保障通信連續性；

4.  光纖傳感系統：支持多測點(diǎn)信號的同步采集與傳輸，適配工業(yè)監測、環(huán)境傳感等場(chǎng)景的多維度數據獲取需求；

5.  光測試儀器：作為測試系統的核心光路切換部件，實(shí)現多通道測試信號的快速切換，提升測試效率。

廣西科毅光通信科技有限公司專(zhuān)注于光通信器件的研發(fā)、生產(chǎn)與銷(xiāo)售，核心團隊擁有多年光通信領(lǐng)域技術(shù)積累，依托PLC技術(shù)、MZI優(yōu)化設計等核心優(yōu)勢，成功實(shí)現新型波導矩陣光開(kāi)關(guān)的產(chǎn)業(yè)化落地。公司嚴格遵循ISO質(zhì)量體系標準，從芯片設計、封裝測試到成品交付，建立全流程質(zhì)量管控體系，確保每一款產(chǎn)品都能滿(mǎn)足客戶(hù)的嚴苛要求。

目前，我們的2×2、4×4波導矩陣光開(kāi)關(guān)已廣泛應用于數據中心、電信運營(yíng)商、工業(yè)傳感等領(lǐng)域，獲得客戶(hù)的高度認可。未來(lái)，我們將持續聚焦技術(shù)創(chuàng )新，重點(diǎn)推進(jìn)兩大方向：一是進(jìn)一步降低插入損耗，優(yōu)化波導結構與封裝工藝，提升產(chǎn)品性能；二是拓展產(chǎn)品規格，研發(fā)8×8、16×16等更大規模的矩陣光開(kāi)關(guān)，適配更復雜的光通信場(chǎng)景需求。

擇合適的光開(kāi)關(guān)等光學(xué)器件及光學(xué)設備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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