數(shù)字經(jīng)濟(jì)浪潮下,光通信技術(shù)飛速發(fā)展。作為光網(wǎng)絡(luò)核心控制元件,光開關(guān)的性能直接影響通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率與穩(wěn)定性。隨著5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)普及,市場(chǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、速度和能效要求不斷提升。在此背景下,空間雙相全光開關(guān)裝置作為顛覆性技術(shù)創(chuàng)新,為光通信行業(yè)帶來新機(jī)遇。

光開關(guān)技術(shù)演進(jìn)

光開關(guān)實(shí)現(xiàn)光路切換,其發(fā)展經(jīng)歷了機(jī)械式到MEMS,再到全光開關(guān)的跨越。早期機(jī)械式光開關(guān)通過物理移動(dòng)光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光路切換,雖具備低插入損耗和高隔離度優(yōu)勢(shì),但響應(yīng)速度慢,通常在毫秒級(jí)別,且體積大、壽命受限。

MEMS光開關(guān)通過控制微鏡偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)光路切換,在保持低損耗的同時(shí)大幅提升開關(guān)速度和集成度。然而,傳統(tǒng)光開關(guān)技術(shù)需通過光電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制與路由,增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和能耗,限制了信號(hào)傳輸帶寬和速度。

全光開關(guān)技術(shù)通過光控光方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)切換,完全避免光電轉(zhuǎn)換,具有超高速響應(yīng)、低延遲、低能耗等優(yōu)勢(shì),成為下一代光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點(diǎn)方向?？臻g雙相全光開關(guān)裝置通過空間光路設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)探測(cè)信號(hào)光的同相和異相調(diào)制,在單一光路系統(tǒng)下完成雙向光開關(guān)功能,大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)。

空間雙相全光開關(guān)裝置工作原理

空間雙相全光開關(guān)裝置核心創(chuàng)新在于獨(dú)特光路設(shè)計(jì)和調(diào)制機(jī)制。與傳統(tǒng)光開關(guān)需復(fù)雜驅(qū)動(dòng)電路和控制信號(hào)不同,空間雙相全光開關(guān)完全通過光與光的相互作用實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能,真正實(shí)現(xiàn)"光控光"。

該裝置通常采用激光輸入單元、泵浦光路單元和探測(cè)光路單元的復(fù)合結(jié)構(gòu)。激光輸入單元提供連續(xù)可調(diào)諧的高品質(zhì)激光光源,輸出線偏振態(tài)高斯激光束,具有優(yōu)異光束質(zhì)量和穩(wěn)定性。泵浦光路單元產(chǎn)生沿特定方向傳輸?shù)谋闷旨す馐?通過偏振控制元件精確調(diào)制。探測(cè)光路單元生成與泵浦光反向共線傳輸?shù)奶綔y(cè)激光束,兩者在非線性光學(xué)單元發(fā)生相互作用。

圖1 空間雙相全光開關(guān)裝置光路結(jié)構(gòu)示意圖

非線性光學(xué)單元是核心部件,通常采用具有優(yōu)異光學(xué)非線性特性的材料制備。石墨烯作為新興二維材料,因卓越的非線性光學(xué)性能,成為制備非線性光學(xué)單元的理想選擇。石墨烯具有超寬吸收光譜、超快載流子遷移速度和強(qiáng)非線性光學(xué)效應(yīng),能實(shí)現(xiàn)高效的交叉相位調(diào)制(XPM)作用。

實(shí)際工作中,泵浦激光束和探測(cè)激光束以共線反向傳輸方式共同作用于非線性光學(xué)單元,發(fā)生基于石墨烯與交叉相位調(diào)制協(xié)同的非線性作用。通過調(diào)節(jié)泵浦光功率,可精確控制探測(cè)光的相位和強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)同相與異相光開關(guān)調(diào)制信號(hào)輸出。當(dāng)泵浦光功率較低時(shí),探測(cè)光與泵浦光保持同相位,開關(guān)處于"開"狀態(tài);當(dāng)泵浦光功率超過一定閾值時(shí),由于交叉相位調(diào)制效應(yīng),探測(cè)光相位發(fā)生翻轉(zhuǎn),開關(guān)切換至"關(guān)"狀態(tài)。

這種基于交叉相位調(diào)制的開關(guān)機(jī)制具有顯著優(yōu)勢(shì):光與光相互作用瞬時(shí),開關(guān)響應(yīng)速度可達(dá)皮秒甚至飛秒級(jí)別,遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電控開關(guān);整個(gè)過程完全在光域進(jìn)行,避免光電轉(zhuǎn)換帶來的損耗和延遲;通過巧妙設(shè)計(jì),在單一光路系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)雙向開關(guān)功能,簡(jiǎn)化器件結(jié)構(gòu),降低制造成本。

核心優(yōu)勢(shì)

超高速響應(yīng)

空間雙相全光開關(guān)裝置最突出優(yōu)勢(shì)在于超高速響應(yīng)。由于采用全光控制機(jī)制,光與光相互作用瞬時(shí)完成,理論上可實(shí)現(xiàn)飛秒級(jí)別開關(guān)速度。實(shí)際應(yīng)用中,即便考慮材料響應(yīng)時(shí)間和系統(tǒng)延遲,開關(guān)時(shí)間通常也能達(dá)到納秒甚至亞納秒級(jí)別,比傳統(tǒng)機(jī)械式光開關(guān)快5-6個(gè)數(shù)量級(jí),比MEMS光開關(guān)快3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。

這種超高速響應(yīng)能力對(duì)需實(shí)時(shí)調(diào)度的光網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景至關(guān)重要。數(shù)據(jù)中心內(nèi)服務(wù)器間數(shù)據(jù)交換頻繁且突發(fā)性強(qiáng),需要光開關(guān)以極快速度響應(yīng)流量變化,動(dòng)態(tài)調(diào)整光路路由。5G網(wǎng)絡(luò)中,基站間前傳網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)延要求極為苛刻,毫秒級(jí)延遲都可能影響用戶體驗(yàn)。

低能耗特性

"雙碳"戰(zhàn)略推進(jìn)背景下,光通信設(shè)備能耗問題日益受關(guān)注。傳統(tǒng)光開關(guān)運(yùn)行過程中需持續(xù)消耗電能維持開關(guān)狀態(tài),尤其在大規(guī)模開關(guān)矩陣中,能耗問題更突出?？臻g雙相全光開關(guān)裝置由于獨(dú)特光控光機(jī)制,僅在切換瞬間需泵浦光提供能量,穩(wěn)態(tài)下幾乎不需要額外能耗。

以典型1×N光開關(guān)矩陣為例,采用傳統(tǒng)MEMS技術(shù)的功耗通常在幾百毫瓦到幾瓦之間,而空間雙相全光開關(guān)功耗可降低到毫瓦級(jí)別,降幅達(dá)80%以上。對(duì)于擁有成百上千光開關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)中心或骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn),這種能耗節(jié)省帶來的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益巨大。

高集成度與小型化

空間雙相全光開關(guān)裝置采用自由空間光路設(shè)計(jì),無需像傳統(tǒng)波導(dǎo)光開關(guān)那樣在芯片上進(jìn)行復(fù)雜波導(dǎo)制備,在集成度和小型化方面具有天然優(yōu)勢(shì)。通過精密光學(xué)元件設(shè)計(jì)和微納加工工藝,可實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)級(jí)別小型化結(jié)構(gòu),體積僅為傳統(tǒng)光開關(guān)的幾分之一甚至幾十分之一。

高集成度和小型化為光通信設(shè)備設(shè)計(jì)帶來更大靈活性。在空間受限場(chǎng)景,如衛(wèi)星通信、機(jī)載通信系統(tǒng)等,設(shè)備體積和重量都是關(guān)鍵考量因素。空間雙相全光開關(guān)的輕量化特性使其能輕松集成到這些系統(tǒng)中。在數(shù)據(jù)中心等對(duì)設(shè)備密度有極高要求的場(chǎng)景,小型化光開關(guān)可實(shí)現(xiàn)更高密度端口集成。

寬波段適應(yīng)能力

空間雙相全光開關(guān)裝置另一重要優(yōu)勢(shì)是寬波段適應(yīng)能力。由于采用自由空間光路和可調(diào)諧激光器,通過調(diào)整激光器輸出波長(zhǎng)和光學(xué)元件參數(shù),可在較寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。這對(duì)多波長(zhǎng)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)尤為重要。

波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)中,需在同一根光纖中傳輸多個(gè)不同波長(zhǎng)光信號(hào),要求光開關(guān)能對(duì)不同波長(zhǎng)光信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立或聯(lián)合控制?？臻g雙相全光開關(guān)可通過調(diào)整泵浦光和探測(cè)光波長(zhǎng)組合,實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)信號(hào)的精準(zhǔn)切換。

技術(shù)突破

廣西科毅光通信科技有限公司作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的光開關(guān)器件與設(shè)備生產(chǎn)銷售廠商,經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān),成功攻克多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題。

非線性材料制備與優(yōu)化

非線性光學(xué)單元是空間雙相全光開關(guān)裝置核心部件,其性能直接決定整個(gè)裝置的開關(guān)效率、速度和可靠性。石墨烯作為最具潛力的非線性光學(xué)材料之一,其制備工藝和質(zhì)量控制是技術(shù)攻關(guān)重點(diǎn)。

圖2 石墨烯材料的原子級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖

石墨烯層數(shù)、分散均勻性、純度等參數(shù)都會(huì)影響其非線性光學(xué)性能。廣西科毅光通信通過優(yōu)化石墨烯制備工藝,精確控制石墨烯層數(shù)在1-30層之間,并通過特殊分散處理技術(shù),將石墨烯均勻分散到乙醇等溶劑中,形成分散濃度在10-20ug/ml的石墨烯分散液。

此外,石墨烯在空氣中易氧化或污染,導(dǎo)致性能衰減。廣西科毅光通信采用創(chuàng)新封裝工藝,將石墨烯密封在比色皿等光學(xué)元件中,并使用惰性氣體填充,有效延長(zhǎng)器件使用壽命。

開關(guān)能量?jī)?yōu)化

傳統(tǒng)全光開關(guān)技術(shù)往往存在開關(guān)能量與開關(guān)速度難以兼顧的問題。廣西科毅光通信通過創(chuàng)新的復(fù)合材料超構(gòu)表面設(shè)計(jì),成功解決這一技術(shù)難題。

該設(shè)計(jì)采用SOI(絕緣體上硅)基底、硅雙棒陣列和聚合物材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)。在多組硅雙棒之間,以及每組硅雙棒的兩個(gè)硅棒之間,均填充有設(shè)定折射率的聚合物,并完全覆蓋硅雙棒表面,形成硅-聚合物復(fù)合材料超構(gòu)表面。這種結(jié)構(gòu)利用Fano共振效應(yīng),在極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)之間形成陡峭變化的非對(duì)稱譜線,大幅增強(qiáng)非線性響應(yīng)。

圖3 硅-聚合物復(fù)合材料超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)際測(cè)試表明,僅需較低泵浦光強(qiáng)度就能引起反射光譜明顯變化,當(dāng)聚合物折射率僅改變0.001時(shí),波長(zhǎng)為1.478μm的非對(duì)稱反射峰的反射率對(duì)比度就能達(dá)到約16dB。

應(yīng)用場(chǎng)景

 空間雙相全光開關(guān)裝置憑借優(yōu)異性能特性,在光通信多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

數(shù)據(jù)中心光互連

數(shù)據(jù)中心作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施,面臨前所未有的帶寬和能耗挑戰(zhàn)。空間雙相全光開關(guān)可作為光交換矩陣核心器件,實(shí)現(xiàn)光信號(hào)在不同端口間的動(dòng)態(tài)路由。相比傳統(tǒng)電交換機(jī),光開關(guān)矩陣能支持更高傳輸速率,單端口速率可達(dá)400Gbps甚至更高。

廣西科毅光通信為老撾萬象云計(jì)算中心提供的32×32 MEMS光開關(guān)矩陣,成功實(shí)現(xiàn)無阻塞光交叉連接,單通道插入損耗低至0.8dB,相比傳統(tǒng)方案降低能耗40%。基于空間雙相全光開關(guān)技術(shù)的下一代光交換矩陣,預(yù)計(jì)能在保持低損耗的同時(shí),將切換速度提升至納秒級(jí)別,進(jìn)一步降低能耗,為綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)提供有力支撐。

5G及未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)

5G網(wǎng)絡(luò)三大應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)光傳輸網(wǎng)絡(luò)提出更高要求。尤其是uRLLC場(chǎng)景,對(duì)端到端時(shí)延要求低至1ms級(jí)別,這對(duì)光網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度提出前所未有的挑戰(zhàn)。

空間雙相全光開關(guān)可集成到5G基站光通信模塊中,實(shí)現(xiàn)基站間快速信號(hào)切換和靈活調(diào)度。當(dāng)某個(gè)基站出現(xiàn)故障或負(fù)載過高時(shí),光開關(guān)可在毫秒甚至微秒級(jí)別將流量切換至備用基站或鄰近基站,確保業(yè)務(wù)連續(xù)性。

圖4 空間雙相全光開關(guān)在5G前傳網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

隨著6G研發(fā)啟動(dòng),未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將向太赫茲頻段擴(kuò)展,單鏈路傳輸速率有望達(dá)到Tbps級(jí)別。在這樣的高速傳輸系統(tǒng)中,全光開關(guān)將成為必然選擇。空間雙相全光開關(guān)憑借其超高速響應(yīng)能力,有望在6G網(wǎng)絡(luò)中扮演關(guān)鍵角色。

衛(wèi)星光通信與空間網(wǎng)絡(luò)

衛(wèi)星光通信面臨極端空間環(huán)境挑戰(zhàn),要求光開關(guān)具備低功耗、輕量化、高可靠性等特點(diǎn)?？埔憧馆椛湫凸忾_關(guān)已通過100krad劑量測(cè)試,重量<50g,支持低軌衛(wèi)星星間鏈路切換。

空間雙相全光開關(guān)由于自由空間光路特性,天然適合空間光通信應(yīng)用。它不需要復(fù)雜波導(dǎo)結(jié)構(gòu),可在真空環(huán)境中穩(wěn)定工作;其小型化特性可滿足衛(wèi)星載荷的重量限制;低功耗特性可減少對(duì)衛(wèi)星能源系統(tǒng)的壓力。

在"吉林一號(hào)"衛(wèi)星應(yīng)用案例中,科毅SAW驅(qū)動(dòng)MEMS光開關(guān)的驅(qū)動(dòng)功率僅10-20dBm,較傳統(tǒng)技術(shù)降低功耗70%以上,同時(shí)支持100Gbps激光通信速率。

骨干網(wǎng)光交叉連接

光交叉連接(OXC)作為骨干網(wǎng)核心節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)對(duì)不同光纖鏈路間的信號(hào)進(jìn)行靈活調(diào)度和路由切換?？臻g雙相全光開關(guān)可用于構(gòu)建新一代OXC系統(tǒng),支持更快速、更靈活的光路重配置。

基于空間雙相全光開關(guān)的OXC系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)別保護(hù)倒換速度。當(dāng)主用鏈路出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)能在極短時(shí)間內(nèi)將業(yè)務(wù)切換至備用鏈路,將業(yè)務(wù)中斷時(shí)間壓縮到毫秒以內(nèi),大大提升網(wǎng)絡(luò)可靠性。同時(shí),系統(tǒng)能耗也比傳統(tǒng)方案降低60%以上。

廣西科毅光通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)

廣西科毅光通信科技有限公司成立于2009年,專注于光開關(guān)器件與設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)、銷售的高新技術(shù)企業(yè)。公司坐落在廣西南寧,擁有超過3000平米生產(chǎn)場(chǎng)地和200多臺(tái)各類進(jìn)口生產(chǎn)調(diào)測(cè)設(shè)備。

公司產(chǎn)品線涵蓋MEMS光開關(guān)、機(jī)械式光開關(guān)、磁光開關(guān)、電光開關(guān)、延遲線開關(guān)、光衰減器、保偏器件、高功率器件等多個(gè)系列,能夠?yàn)榭蛻籼峁┤娴墓忾_關(guān)解決方案。尤其在高端光開關(guān)領(lǐng)域,公司憑借多年技術(shù)積累和持續(xù)創(chuàng)新,形成了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。

研發(fā)實(shí)力

廣西科毅光通信高度重視技術(shù)研發(fā),每年將銷售收入15%以上投入到研發(fā)中,建立了由資深工程師領(lǐng)銜的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。公司擁有完善研發(fā)體系,從概念設(shè)計(jì)、仿真分析、樣品試制、性能測(cè)試到產(chǎn)品認(rèn)證,形成完整研發(fā)流程。

在空間雙相全光開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域,公司已申請(qǐng)多項(xiàng)發(fā)明專利,涵蓋光路設(shè)計(jì)、材料制備、器件封裝等多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。公司與西北大學(xué)、廣西大學(xué)等高校建立緊密產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系,共同開展前沿技術(shù)研究和人才培養(yǎng)。

生產(chǎn)制造與品質(zhì)保證

廣西科毅光通信擁有完整生產(chǎn)制造體系,從原材料采購(gòu)、零部件加工、組件裝配、性能測(cè)試到產(chǎn)品包裝,實(shí)現(xiàn)全流程自主可控。公司引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備和檢測(cè)儀器,確保產(chǎn)品高質(zhì)量和一致性。

對(duì)于空間雙相全光開關(guān)等高端產(chǎn)品,公司建立了專門生產(chǎn)線和無塵裝配間,配備專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行生產(chǎn)。公司嚴(yán)格按照ISO9001質(zhì)量管理體系進(jìn)行管控,確保每一件產(chǎn)品都符合技術(shù)規(guī)范和客戶要求。

未來發(fā)展趨勢(shì)

隨著光通信技術(shù)不斷發(fā)展和應(yīng)用需求持續(xù)增長(zhǎng),空間雙相全光開關(guān)裝置作為前瞻性技術(shù),發(fā)展前景廣闊。

材料體系拓展

石墨烯作為第一代二維材料,已展現(xiàn)出優(yōu)異非線性光學(xué)性能。未來,更多新型二維材料如二硫化鉬、硒化鎢、黑磷等將被探索用于空間雙相全光開關(guān)。這些材料各有特色,可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

復(fù)合材料開發(fā)也是重要方向。通過將不同材料進(jìn)行復(fù)合或異質(zhì)集成,可發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)性能進(jìn)一步提升。

集成化與芯片化

未來發(fā)展趨勢(shì)是向集成化、芯片化方向發(fā)展,將光開關(guān)功能集成到單個(gè)芯片上,實(shí)現(xiàn)更高密度端口集成和更小體積。

硅光子技術(shù)為光開關(guān)集成化提供了可能。通過在硅基芯片上制備波導(dǎo)、調(diào)制器等光學(xué)元件,可將光開關(guān)功能與其他光子器件集成在一起,形成光子集成電路(PIC)。廣西科毅光通信已開始硅光子技術(shù)布局,計(jì)劃在未來幾年內(nèi)推出基于硅光子平臺(tái)的集成光開關(guān)產(chǎn)品。

智能化與自適應(yīng)控制

未來光網(wǎng)絡(luò)將更加智能化,能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量、服務(wù)質(zhì)量需求、設(shè)備狀態(tài)等信息,自動(dòng)優(yōu)化配置,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)資源調(diào)度?？臻g雙相全光開關(guān)作為光網(wǎng)絡(luò)核心器件,也需要向智能化方向發(fā)展,具備自適應(yīng)控制能力。

通過嵌入傳感器和智能控制算法,光開關(guān)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自身運(yùn)行狀態(tài),并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果自動(dòng)調(diào)整工作參數(shù),保持最佳性能狀態(tài)。人工智能技術(shù)將在光開關(guān)智能化中發(fā)揮重要作用。

結(jié)語

空間雙相全光開關(guān)裝置作為光通信領(lǐng)域顛覆性技術(shù),正引領(lǐng)行業(yè)向更高速、更高效、更智能方向發(fā)展。廣西科毅光通信科技有限公司憑借多年技術(shù)積累和持續(xù)創(chuàng)新能力,在這一前沿領(lǐng)域取得重要突破,為我國(guó)光通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。未來,隨著5G、數(shù)據(jù)中心、衛(wèi)星光通信、量子通信等應(yīng)用快速普及,對(duì)高性能光開關(guān)需求將持續(xù)增長(zhǎng)。

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擇合適的光開關(guān)等光學(xué)器件及光學(xué)設(shè)備是一項(xiàng)需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應(yīng)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(xì)對(duì)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(shí)、質(zhì)量可靠、服務(wù)專業(yè)的合作伙伴。

 （注：本文部分內(nèi)容由AI協(xié)助習(xí)作，僅供參考）