光通信系統(tǒng)的規(guī)?；l(fā)展，對光開關的集成度、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)機械光開關與微機電系統(tǒng)（MEMS）光開關因存在物理移動部件，不僅開關速度受限，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現光路切換，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?光波導技術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關的核心技術方向。但傳統(tǒng)矩陣光開關多為“空分型”設計，通信線路物理分離，僅能實現一對一通信，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)的靈活調度能力。例如在數據中心場景中，當多個終端需要同時獲取同一數據源的信號時，傳統(tǒng)光開關的“一對一”限制會導致信號傳輸效率低下，無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關，成功實現1:k（k>1）的多端口互聯，徹底解決傳統(tǒng)光開關的通信方式局限，為光通信系統(tǒng)提供更靈活、高效的光路解決方案。

一、新型波導矩陣光開關的核心技術原理

（一）MZI干涉儀：開關單元的核心設計

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

Mach-Zehnder干涉儀結構

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

開關單元a：未加電時，輸入光信號經3dB耦合器功率均分后，兩條波導臂無相位差，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，光信號切換至另一輸出端口（如1'），實現光路的“開-關”切換。

 開關單元b：當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'），實現同一信號的多端口同步輸出，這也是解決傳統(tǒng)光開關“一對一”局限的關鍵設計。

MZI單元功能示意圖

通過這兩種開關單元的組合，新型波導矩陣光開關能夠實現多樣化的光路調度：既可以實現單一信號的定向切換，也可以實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網絡結構：低損耗的多端口互聯設計

為構建2×2、4×4等多端口矩陣光開關，我們采用蝶形交叉連接的Banyan網絡結構，相比傳統(tǒng)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(tǒng)Crossbar結構存在多路徑損耗差異，而Banyan網絡通過標準化交叉設計，有效降低路徑損耗波動；

2.  插入損耗更低：Banyan網絡以更少的聯接級數實現多端口互聯，相比光路補償型Crossbar結構，進一步減少光信號在傳輸過程中的損耗。

在Banyan網絡中，波導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：當交叉角大于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，我們在設計中設定波導交叉角為30°，此時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關中可忽略不計。

波導交叉角損耗變化曲線

二、2×2與4×4波導矩陣光開關的結構與性能

基于MZI核心單元與Banyan網絡結構，我們成功研發(fā)出2×2和4×4兩種規(guī)格的多端口波導矩陣光開關，覆蓋不同場景的應用需求。

（一）2×2多端口光開關：靈活的小容量光路調度

2×2多端口光開關由開關單元a和開關單元b組合而成，相比傳統(tǒng)2×2光開關，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“一對一”的輸出限制。

2×2多端口波導矩陣光開關結構

在實際應用中，2×2光開關的靈活輸出模式可適配多種場景：例如在小型數據中心，當終端A需要獲取完整信號時，可通過開關單元a設定單一端口輸出；當終端A和終端B需要同時獲取該信號時，可切換至開關單元b的雙端口均分輸出模式，無需額外增加信號轉發(fā)設備，極大簡化系統(tǒng)架構。

（二）4×4多端口光開關：大容量多維度互聯

4×4多端口光開關采用層級化Banyan網絡結構，將多個MZI單元按蝶形交叉方式組合，不僅能實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標簽：4×4多端口波導矩陣光開關結構-廣西科毅光通信

4×4光開關的核心優(yōu)勢在于“無阻塞調度”：通過合理設計驅動電極，無論輸入信號如何分配，都能找到對應的無沖突光路，確保信號傳輸的穩(wěn)定性。例如在長途光通信網絡中，4×4光開關可實現4路輸入信號與4路輸出信號的任意組合互聯，既支持單信號多端口分發(fā)，也支持多信號定向切換，適配復雜網絡拓撲的調度需求。

（三）關鍵性能參數：低損耗、高速響應、高穩(wěn)定性

為驗證產品性能，我們基于PLC技術完成SiO?基MZI單元、2×2及4×4光開關的制作與封裝，并進行全面的性能測試，核心測試結果如下：

2×2與4×4波導矩陣光開關實物

2×2光開關性能：

?    插入損耗：2.25dB（行業(yè)同類產品平均水平約3dB）；

?    開關響應時間：0.8ms（<1ms，滿足高速調度需求）；

?    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光開關性能：

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

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

?    平均串擾：37dB（信號干擾小，傳輸質量高）；

?    開關響應時間：<1ms（全端口一致化高速響應）；

?    波長一致性：1530-1570nm波長范圍內，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波導矩陣光開關插入損耗隨功率變化曲線

測試數據表明，新型波導矩陣光開關的插入損耗、開關速度、串擾等核心指標均達到行業(yè)領先水平，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)的應用要求。

三、新型波導矩陣光開關的產品優(yōu)勢與行業(yè)應用場景

（一）核心競爭優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)光開關與同類產品，廣西科毅光通信的新型波導矩陣光開關具有以下四大核心優(yōu)勢：

1.  多端口靈活互聯：支持一對多、多對多通信，同一信號可實現多端口同時輸出，打破傳統(tǒng)光開關的通信限制；

2.  低損耗高傳輸效率：基于SiO?波導與Banyan網絡設計，2×2開關插入損耗僅2.25dB，4×4開關平均插入損耗4.3dB，遠低于行業(yè)平均水平；

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

4.  高穩(wěn)定性長壽命：采用PLC技術，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；

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

（二）典型應用場景

1.  密集波分復用（DWDM）系統(tǒng)：適配多波長信號的靈活調度，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.  數據中心互聯：滿足多終端與數據源的高效交互，簡化數據中心內部光路架構，降低能耗與維護成本；

3.  長途光通信網絡：實現骨干網、城域網的光路切換與故障冗余備份，當某一路徑故障時，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據獲取需求；

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)、生產與銷售，核心團隊擁有多年光通信領域技術積累，依托PLC技術、MZI優(yōu)化設計等核心優(yōu)勢，成功實現新型波導矩陣光開關的產業(yè)化落地。公司嚴格遵循ISO質量體系標準，從芯片設計、封裝測試到成品交付，建立全流程質量管控體系，確保每一款產品都能滿足客戶的嚴苛要求。

目前，我們的2×2、4×4波導矩陣光開關已廣泛應用于數據中心、電信運營商、工業(yè)傳感等領域，獲得客戶的高度認可。未來，我們將持續(xù)聚焦技術創(chuàng)新，重點推進兩大方向：一是進一步降低插入損耗，優(yōu)化波導結構與封裝工藝，提升產品性能；二是拓展產品規(guī)格，研發(fā)8×8、16×16等更大規(guī)模的矩陣光開關，適配更復雜的光通信場景需求。

擇合適的光開關等光學器件及光學設備是一項需要綜合考量技術、性能、成本和供應商實力的工作。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，詳細對比關鍵參數，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術扎實、質量可靠、服務專業(yè)的合作伙伴。

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  （注：本文部分內容由AI協助習作，僅供參考）