光通信系統(tǒng)的規(guī)?；l(fā)展，對光開關(guān)的集成度、穩(wěn)定性、切換速度和損耗控制提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)機械光開關(guān)與微機電系統(tǒng)（MEMS）光開關(guān)因存在物理移動部件，不僅開關(guān)速度受限，還容易受環(huán)境振動影響，長期使用的穩(wěn)定性難以保障。而平面光波線路（PLC）技術(shù)的出現(xiàn)，徹底改變了這一現(xiàn)狀——它利用波導(dǎo)材料的物理效應(yīng)實現(xiàn)光路切換，無需任何移動部件，兼具集成度高、穩(wěn)定性強、兼容性好等優(yōu)點。

其中，硅基SiO?光波導(dǎo)技術(shù)憑借與現(xiàn)有半導(dǎo)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(gòu)建多端口矩陣光開關(guān)的核心技術(shù)方向。但傳統(tǒng)矩陣光開關(guān)多為“空分型”設(shè)計，通信線路物理分離，僅能實現(xiàn)一對一通信，無法滿足同一信號多端口同時輸出的需求，極大限制了光通信系統(tǒng)的靈活調(diào)度能力。例如在數(shù)據(jù)中心場景中，當(dāng)多個終端需要同時獲取同一數(shù)據(jù)源的信號時，傳統(tǒng)光開關(guān)的“一對一”限制會導(dǎo)致信號傳輸效率低下，無法適配密集型數(shù)據(jù)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(shè)計，研發(fā)出具備多路連接功能的新型波導(dǎo)矩陣光開關(guān)，成功實現(xiàn)1:k（k>1）的多端口互聯(lián)，徹底解決傳統(tǒng)光開關(guān)的通信方式局限，為光通信系統(tǒng)提供更靈活、高效的光路解決方案。

一、新型波導(dǎo)矩陣光開關(guān)的核心技術(shù)原理

（一）MZI干涉儀：開關(guān)單元的核心設(shè)計

新型波導(dǎo)矩陣光開關(guān)的核心單元的是優(yōu)化后的Mach-Zehnder干涉儀（MZI），其基本結(jié)構(gòu)由兩個3dB耦合器和兩條等長波導(dǎo)臂組成，其中一條波導(dǎo)臂蒸鍍金屬薄膜（加熱器），通過熱光效應(yīng)改變光信號的相位，進而實現(xiàn)光路切換與功率分配。

Mach-Zehnder干涉儀結(jié)構(gòu)

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

基于這一原理，我們定義了兩種核心開關(guān)單元：

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

 開關(guān)單元b：當(dāng)加熱器加電使相位差Δφ=π/2時，輸入光信號的功率會被平均分配至兩個輸出端口（如1'和2'），實現(xiàn)同一信號的多端口同步輸出，這也是解決傳統(tǒng)光開關(guān)“一對一”局限的關(guān)鍵設(shè)計。

MZI單元功能示意圖

通過這兩種開關(guān)單元的組合，新型波導(dǎo)矩陣光開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)多樣化的光路調(diào)度：既可以實現(xiàn)單一信號的定向切換，也可以實現(xiàn)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(jié)構(gòu)：低損耗的多端口互聯(lián)設(shè)計

為構(gòu)建2×2、4×4等多端口矩陣光開關(guān)，我們采用蝶形交叉連接的Banyan網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)Crossbar結(jié)構(gòu)，該設(shè)計具有兩大核心優(yōu)勢：

1.  光路損耗一致性更好：傳統(tǒng)Crossbar結(jié)構(gòu)存在多路徑損耗差異，而Banyan網(wǎng)絡(luò)通過標(biāo)準(zhǔn)化交叉設(shè)計，有效降低路徑損耗波動；

2.  插入損耗更低：Banyan網(wǎng)絡(luò)以更少的聯(lián)接級數(shù)實現(xiàn)多端口互聯(lián)，相比光路補償型Crossbar結(jié)構(gòu)，進一步減少光信號在傳輸過程中的損耗。

在Banyan網(wǎng)絡(luò)中，波導(dǎo)間的交叉角度會直接影響交叉損耗。我們通過OptiBPM軟件仿真發(fā)現(xiàn)：當(dāng)交叉角大于30°時，交叉損耗可控制在0.1dB以下，幾乎不影響系統(tǒng)整體性能。因此，我們在設(shè)計中設(shè)定波導(dǎo)交叉角為30°，此時斜波導(dǎo)與直波導(dǎo)交叉損耗僅0.09dB，兩反方向斜波導(dǎo)交叉損耗小于0.01dB，在端口數(shù)較少的矩陣光開關(guān)中可忽略不計。

波導(dǎo)交叉角損耗變化曲線

二、2×2與4×4波導(dǎo)矩陣光開關(guān)的結(jié)構(gòu)與性能

基于MZI核心單元與Banyan網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，我們成功研發(fā)出2×2和4×4兩種規(guī)格的多端口波導(dǎo)矩陣光開關(guān)，覆蓋不同場景的應(yīng)用需求。

（一）2×2多端口光開關(guān)：靈活的小容量光路調(diào)度

2×2多端口光開關(guān)由開關(guān)單元a和開關(guān)單元b組合而成，相比傳統(tǒng)2×2光開關(guān)，其最大優(yōu)勢是具備3種輸出模式：單一端口全功率輸出（1'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(tǒng)光開關(guān)“一對一”的輸出限制。

2×2多端口波導(dǎo)矩陣光開關(guān)結(jié)構(gòu)

在實際應(yīng)用中，2×2光開關(guān)的靈活輸出模式可適配多種場景：例如在小型數(shù)據(jù)中心，當(dāng)終端A需要獲取完整信號時，可通過開關(guān)單元a設(shè)定單一端口輸出；當(dāng)終端A和終端B需要同時獲取該信號時，可切換至開關(guān)單元b的雙端口均分輸出模式，無需額外增加信號轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，極大簡化系統(tǒng)架構(gòu)。

（二）4×4多端口光開關(guān)：大容量多維度互聯(lián)

4×4多端口光開關(guān)采用層級化Banyan網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將多個MZI單元按蝶形交叉方式組合，不僅能實現(xiàn)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輸出端口同時輸出，從根本上避免多端口對同一信號的競爭問題。

ALT標(biāo)簽：4×4多端口波導(dǎo)矩陣光開關(guān)結(jié)構(gòu)-廣西科毅光通信

4×4光開關(guān)的核心優(yōu)勢在于“無阻塞調(diào)度”：通過合理設(shè)計驅(qū)動電極，無論輸入信號如何分配，都能找到對應(yīng)的無沖突光路，確保信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。例如在長途光通信網(wǎng)絡(luò)中，4×4光開關(guān)可實現(xiàn)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(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓撲的調(diào)度需求。

（三）關(guān)鍵性能參數(shù)：低損耗、高速響應(yīng)、高穩(wěn)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光開關(guān)的制作與封裝，并進行全面的性能測試，核心測試結(jié)果如下：

2×2與4×4波導(dǎo)矩陣光開關(guān)實物

2×2光開關(guān)性能：

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

?    開關(guān)響應(yīng)時間：0.8ms（<1ms，滿足高速調(diào)度需求）；

?    串?dāng)_：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光開關(guān)性能：

?    平均插入損耗：4.3dB（多端口結(jié)構(gòu)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(wěn)定性好）；

?    平均串?dāng)_：37dB（信號干擾小，傳輸質(zhì)量高）；

?    開關(guān)響應(yīng)時間：<1ms（全端口一致化高速響應(yīng)）；

?    波長一致性：1530-1570nm波長范圍內(nèi)，插入損耗曲線基本重合，最小插入損耗約4.0dB（適配DWDM系統(tǒng)的多波長需求）。

4×4波導(dǎo)矩陣光開關(guān)插入損耗隨功率變化曲線

測試數(shù)據(jù)表明，新型波導(dǎo)矩陣光開關(guān)的插入損耗、開關(guān)速度、串?dāng)_等核心指標(biāo)均達到行業(yè)領(lǐng)先水平，且器件封裝體積小、穩(wěn)定性強，完全滿足商業(yè)光通信系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

三、新型波導(dǎo)矩陣光開關(guān)的產(chǎn)品優(yōu)勢與行業(yè)應(yīng)用場景

（一）核心競爭優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)光開關(guān)與同類產(chǎn)品，廣西科毅光通信的新型波導(dǎo)矩陣光開關(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，同一信號可實現(xiàn)多端口同時輸出，打破傳統(tǒng)光開關(guān)的通信限制；

2.  低損耗高傳輸效率：基于SiO?波導(dǎo)與Banyan網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，2×2開關(guān)插入損耗僅2.25dB，4×4開關(guān)平均插入損耗4.3dB，遠低于行業(yè)平均水平；

3.  高速響應(yīng)無延遲：開關(guān)響應(yīng)時間<1ms，適配光通信系統(tǒng)的高速調(diào)度需求，無信號傳輸卡頓；

4.  高穩(wěn)定性長壽命：采用PLC技術(shù)，無移動部件，抗振動、抗環(huán)境干擾能力強，使用壽命遠超MEMS光開關(guān)；

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

（二）典型應(yīng)用場景

1.  密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)：適配多波長信號的靈活調(diào)度，支持同一波長信號多端口分發(fā)，提升系統(tǒng)帶寬利用率；

2.  數(shù)據(jù)中心互聯(lián)：滿足多終端與數(shù)據(jù)源的高效交互，簡化數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光路架構(gòu)，降低能耗與維護成本；

3.  長途光通信網(wǎng)絡(luò)：實現(xiàn)骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)的光路切換與故障冗余備份，當(dāng)某一路徑故障時，可快速切換至備用光路，保障通信連續(xù)性；

4.  光纖傳感系統(tǒng)：支持多測點信號的同步采集與傳輸，適配工業(yè)監(jiān)測、環(huán)境傳感等場景的多維度數(shù)據(jù)獲取需求；

5.  光測試儀器：作為測試系統(tǒng)的核心光路切換部件，實現(xiàn)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注于光通信器件的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售，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(shè)計等核心優(yōu)勢，成功實現(xiàn)新型波導(dǎo)矩陣光開關(guān)的產(chǎn)業(yè)化落地。公司嚴(yán)格遵循ISO質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)，從芯片設(shè)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)品都能滿足客戶的嚴(yán)苛要求。

目前，我們的2×2、4×4波導(dǎo)矩陣光開關(guān)已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、電信運營商、工業(yè)傳感等領(lǐng)域，獲得客戶的高度認(rèn)可。未來，我們將持續(xù)聚焦技術(shù)創(chuàng)新，重點推進兩大方向：一是進一步降低插入損耗，優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與封裝工藝，提升產(chǎn)品性能；二是拓展產(chǎn)品規(guī)格，研發(fā)8×8、16×16等更大規(guī)模的矩陣光開關(guān)，適配更復(fù)雜的光通信場景需求。

擇合適的光開關(guān)等光學(xué)器件及光學(xué)設(shè)備是一項需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應(yīng)商實力的工作。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(shù)，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術(shù)扎實、質(zhì)量可靠、服務(wù)專業(yè)的合作伙伴。

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  （注：本文部分內(nèi)容由AI協(xié)助習(xí)作，僅供參考）