一、光通信行業(yè)對光開關(guān)的核心需求與技術(shù)痛點(diǎn)

在全光網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展的今天，光開關(guān)作為實(shí)現(xiàn)光信號(hào)路由選擇、交叉連接和自愈保護(hù)的核心器件，其性能直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的傳輸效率與穩(wěn)定性。尤其是數(shù)據(jù)中心、5G基站、光交叉連接（OXC）設(shè)備等場景中，對光開關(guān)的光路建立速度、能量損耗控制、長期穩(wěn)定性提出了極高要求。

當(dāng)前主流的MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）光開關(guān)，通過硅基底上的可移動(dòng)微鏡反射光信號(hào)實(shí)現(xiàn)路徑切換。其核心邏輯是讓兩個(gè)微鏡在X、Y兩個(gè)垂直方向上轉(zhuǎn)動(dòng)至理想角度，使光信號(hào)從輸入端口經(jīng)兩次反射精準(zhǔn)到達(dá)輸出端口，從而減少能量損耗。

但傳統(tǒng)技術(shù)中，微鏡角度校準(zhǔn)采用“四層嵌套步進(jìn)掃描”模式，存在明顯痛點(diǎn)：

1.      掃描效率極低：每個(gè)微鏡的兩個(gè)方向需分步轉(zhuǎn)動(dòng)，外層循環(huán)需等待內(nèi)層循環(huán)完成，單微鏡單方向轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)達(dá)n步時(shí)，兩層微鏡共需n?步，總耗時(shí)往往超過100秒，嚴(yán)重影響光開關(guān)上電啟動(dòng)速度；

2.      能量損耗控制不足：驅(qū)動(dòng)臂材料特性與制造工藝差異導(dǎo)致微鏡角度漂移，傳統(tǒng)步進(jìn)掃描難以精準(zhǔn)捕捉最優(yōu)驅(qū)動(dòng)參數(shù)；

3.      穩(wěn)定性欠佳：多層循環(huán)的間歇式轉(zhuǎn)動(dòng)易導(dǎo)致微鏡狀態(tài)波動(dòng)，影響光路傳輸?shù)囊恢滦浴?/span>

針對這些痛點(diǎn)，廣西科毅光通信科技有限公司（官網(wǎng)：www.m.lytflsy.com）研發(fā)了創(chuàng)新的光開關(guān)路徑建立方案，實(shí)現(xiàn)了掃描速度與損耗控制的雙重突破。

二、MEMS光開關(guān)的核心結(jié)構(gòu)與光路建立基礎(chǔ)

要理解創(chuàng)新方案的優(yōu)勢，首先需明確MEMS光開關(guān)的核心結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)光路建立邏輯。

（一）核心組件構(gòu)成

MEMS光開關(guān)主要由處理器、至少兩個(gè)微鏡及驅(qū)動(dòng)模塊組成，其核心執(zhí)行單元為微鏡陣列與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：

1.      微鏡結(jié)構(gòu)：每個(gè)微鏡包含鏡面與4個(gè)驅(qū)動(dòng)臂（如圖5所示），驅(qū)動(dòng)臂A、D控制Y方向轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)臂B、C控制X方向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)臂的抬起與下沉實(shí)現(xiàn)微鏡角度調(diào)節(jié)；

2.      微鏡陣列：光開關(guān)中的微鏡通常以陣列形式排布（如圖4所示），例如8×8陣列，不同位置的微鏡組合實(shí)現(xiàn)多光路切換；

3.      驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：通過電壓或電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)微鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為臺(tái)階形（如圖2所示），創(chuàng)新方案采用諧振波、鋸齒波等連續(xù)波形（如圖9-11所示）。

（二）傳統(tǒng)光路建立邏輯

光信號(hào)的路徑建立本質(zhì)是尋找微鏡的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)信號(hào)參數(shù)。如圖1所示，輸入端口發(fā)射的光信號(hào)經(jīng)第一微鏡（微鏡A）反射至第二微鏡（微鏡B），再由第二微鏡反射至輸出端口。當(dāng)微鏡角度偏差時(shí)，光信號(hào)會(huì)偏離輸出端口，產(chǎn)生能量損耗（能量損耗=輸入光功率-輸出光功率）。

傳統(tǒng)技術(shù)通過“四層嵌套步進(jìn)掃描”確定最優(yōu)參數(shù)：

1.      四層循環(huán)分別對應(yīng)第一微鏡X方向、第一微鏡Y方向、第二微鏡X方向、第二微鏡Y方向；

2.      每層循環(huán)采用步進(jìn)式轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)預(yù)設(shè)角度（如0.1°）就暫停，記錄驅(qū)動(dòng)參數(shù)與能量損耗；

3.      外層循環(huán)需等待內(nèi)層循環(huán)完成全角度掃描后再繼續(xù)，導(dǎo)致總步數(shù)激增，耗時(shí)過長。

圖1 光開關(guān)中建立路徑的示意圖

圖2 MEMS光開關(guān)微鏡驅(qū)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 一種光開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 一種微鏡陣列的示意圖

圖5 光開關(guān)中微鏡的結(jié)構(gòu)示意圖

三、創(chuàng)新路徑建立方法：從“步進(jìn)掃描”到“連續(xù)掃描”的突破

本專利提出兩種核心創(chuàng)新方案，通過將內(nèi)層循環(huán)的“步進(jìn)式掃描”改為“連續(xù)式掃描”，在保證遍歷所有角度的前提下，大幅減少轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)與掃描時(shí)間。

（一）方案一：雙微鏡分階段優(yōu)化策略

該方案將四層循環(huán)拆解為兩個(gè)獨(dú)立的雙層循環(huán)，先優(yōu)化第一微鏡參數(shù)，再固定第一微鏡優(yōu)化第二微鏡，具體步驟如下：

1.目標(biāo)角度范圍獲取：光開關(guān)上電后，先獲取第一微鏡（第二目標(biāo)角度范圍）與第二微鏡（第一目標(biāo)角度范圍）的盲掃角度范圍（如2°-3°），避免全角度掃描浪費(fèi)時(shí)間；

2.第一微鏡參數(shù)優(yōu)化：

①控制第一微鏡每隔第一時(shí)間間隔（如210ms）轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)預(yù)設(shè)角度（如0.1°），采用臺(tái)階形驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持轉(zhuǎn)動(dòng)間歇的穩(wěn)定性；

②每當(dāng)?shù)谝晃㈢R轉(zhuǎn)動(dòng)一次后，控制第二微鏡在第一目標(biāo)角度范圍內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一周（如圖6所示），驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用諧振波、鋸齒波或三角波（如圖9-11），且轉(zhuǎn)動(dòng)周期不大于第一時(shí)間間隔；

③當(dāng)光信號(hào)能量損耗小于預(yù)設(shè)閾值（如10dB）時(shí)，記錄第一微鏡的驅(qū)動(dòng)信號(hào)參數(shù)與損耗值，直至第一微鏡覆蓋全部第二目標(biāo)角度范圍；

④通過加權(quán)平均（權(quán)重與損耗負(fù)相關(guān)）或選取最小損耗對應(yīng)的參數(shù)，確定第一微鏡的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)信號(hào)參數(shù)。

3.第二微鏡參數(shù)優(yōu)化：

①固定第一微鏡的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)信號(hào)參數(shù)，使其保持理想角度；

②控制第二微鏡每隔第二時(shí)間間隔（如110ms）轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)預(yù)設(shè)角度，采用步進(jìn)式掃描；

③記錄能量損耗小于閾值時(shí)的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，通過同樣的方法確定第二微鏡的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)信號(hào)參數(shù)；

④基于目標(biāo)參數(shù)驅(qū)動(dòng)第二微鏡，完成光路建立。

（二）方案二：三維參數(shù)協(xié)同優(yōu)化策略

該方案針對更復(fù)雜的應(yīng)用場景，將第二微鏡的兩個(gè)方向拆分處理，先協(xié)同優(yōu)化第一微鏡與第二微鏡X方向參數(shù)，再單獨(dú)優(yōu)化第二微鏡Y方向參數(shù)：

1. 三層步進(jìn)+一層連續(xù)掃描：

①控制第一微鏡每隔第三時(shí)間間隔（如1210ms）轉(zhuǎn)動(dòng)預(yù)設(shè)角度，同時(shí)控制第二微鏡X方向每隔第四時(shí)間間隔（如11ms）轉(zhuǎn)動(dòng)預(yù)設(shè)角度；

②每當(dāng)?shù)诙㈢RX方向轉(zhuǎn)動(dòng)一次，控制其Y方向在第一目標(biāo)角度范圍內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一周（驅(qū)動(dòng)信號(hào)為連續(xù)波形）；

③記錄能量損耗達(dá)標(biāo)的驅(qū)動(dòng)參數(shù)集合（含第一微鏡與第二微鏡X方向參數(shù)），直至覆蓋全部角度范圍；

2.單獨(dú)優(yōu)化第二微鏡Y方向：

④ 固定第一微鏡與第二微鏡X方向的目標(biāo)參數(shù)；

⑤控制第二微鏡Y方向每隔第五時(shí)間間隔（如10ms）步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄最優(yōu)參數(shù)并驅(qū)動(dòng)；

圖6 一種微鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的示意圖

圖7 一種用于光開關(guān)的路徑建立方法的流程圖

圖9 光開關(guān)諧振波驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形圖

圖10 MEMS光開關(guān)微鏡角度調(diào)節(jié)示意圖

圖11 種用于控制微鏡連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形示意圖

（三）核心技術(shù)亮點(diǎn)

1.      掃描速度提升顯著：將四層步進(jìn)循環(huán)轉(zhuǎn)化為“步進(jìn)+連續(xù)”混合循環(huán)，總步數(shù)從n?降至2n2（方案一）或n3+n（方案二）。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)單方向步數(shù)為11步時(shí)，傳統(tǒng)方案耗時(shí)146秒，方案一僅需2秒（提速73倍），方案二需12秒（提速12倍）；

2.      能量損耗精準(zhǔn)控制：通過連續(xù)掃描捕捉更多有效參數(shù)，結(jié)合加權(quán)平均或最小損耗篩選，確保微鏡角度達(dá)到最優(yōu)，光信號(hào)損耗低于預(yù)設(shè)閾值；

3.      穩(wěn)定性更強(qiáng)：連續(xù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)減少微鏡啟停波動(dòng)，驅(qū)動(dòng)臂應(yīng)力釋放更均勻，降低角度漂移風(fēng)險(xiǎn)；

4.      兼容性廣：支持X、Y方向獨(dú)立或同步調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形可靈活切換，適配不同場景需求。

四、技術(shù)優(yōu)勢帶來的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值

（一）適配高頻場景需求

1.      數(shù)據(jù)中心：光開關(guān)需頻繁切換光路以應(yīng)對流量波動(dòng)，本方案2秒內(nèi)完成光路建立，滿足毫秒級響應(yīng)要求；

2.      5G基站：戶外環(huán)境對光開關(guān)穩(wěn)定性要求高，連續(xù)掃描技術(shù)減少微鏡機(jī)械損耗，延長使用壽命；

3.      光交叉連接（OXC）設(shè)備：多光路并行切換時(shí)，快速掃描能力提升設(shè)備整體吞吐量。

（二）降低全生命周期成本

1.      能耗優(yōu)化：連續(xù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的能量利用率高于步進(jìn)信號(hào)，減少光開關(guān)運(yùn)行功耗；

2.      維護(hù)成本降低：微鏡角度穩(wěn)定性提升，減少校準(zhǔn)頻次；

3.      集成便捷：方案兼容現(xiàn)有MEMS制造工藝，無需額外改造生產(chǎn)線。

圖12 光交換單元的示意圖

擇合適的光開關(guān)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。

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