大容量光交換需求下，M×N MEMS光開關的技術創(chuàng)新與應用

隨著數(shù)據(jù)中心算力密度的持續(xù)提升、5G基站的廣泛部署以及骨干光網(wǎng)絡的擴容升級，光通信網(wǎng)絡對“多路輸入、多路輸出”的大容量光交換需求日益迫切。M×N MEMS光開關作為能夠?qū)崿F(xiàn)無阻塞全交換的核心器件，憑借其大容量、高集成度、低損耗的優(yōu)勢，成為滿足這類需求的關鍵支撐。

廣西科毅光通信科技有限公司（官網(wǎng)：www.m.lytflsy.com）深耕M×N MEMS光開關領域多年，研發(fā)的MXN系列產(chǎn)品（M≤N≤64）支持多路輸入與多路輸出的全交換，插入損耗≤4.0dB，切換時間＜20ms，已成功應用于大型數(shù)據(jù)中心、骨干光網(wǎng)絡、智能光配系統(tǒng)等場景。本文將從結構分類、工作原理、級聯(lián)方案、性能指標、應用場景等維度，全面解析M×N MEMS光開關的技術特性與核心價值。

一、M×N MEMS光開關的核心功能與分類

M×N MEMS光開關是一種具有多路輸入（M路）和多路輸出（N路）的無阻塞光交換模塊，其核心功能是實現(xiàn)任意輸入端口的光信號向任意輸出端口的靈活切換，即“全交換”功能。這種功能特性使其能夠滿足大容量光網(wǎng)絡中，光鏈路動態(tài)調(diào)度、負載均衡、故障倒換等需求。

根據(jù)內(nèi)部微型鏡片陣列的分布與工作方式，MXNMEMS光開關主要分為三大類：

1.      二維MXNMEMS光開關：微型鏡片在二維平面網(wǎng)格空間排成矩形陣列，通過控制鏡片偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)光路切換；

2.      三維MXNMEMS光開關：兩組微型鏡片陣列在自由空間中立體分布，鏡片可沿兩軸任意角度旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)大容量全交換；

3.      級聯(lián)式MXNMEMS光開關：由M+N個1XNMEMS光開關級聯(lián)組成，通過多級切換實現(xiàn)全交換功能。

以下是三類結構的核心特性對比：

二、二維M×N MEMS光開關：結構與工作原理

二維M×N MEMS光開關是最早實現(xiàn)商業(yè)化應用的M×N類型，其內(nèi)部結構由M+N個MEMS微型鏡片組裝成矩形陣列，鏡片分布在二維平面網(wǎng)格空間中。

（一）內(nèi)部結構示意圖

 圖1 二維M×N MEMS光開關示意圖

（二）核心組件解析

1.      光纖準直器陣列：分為輸入準直器陣列（M路）和輸出準直器陣列（N路），分別負責輸入光信號的準直投射與輸出光信號的耦合接收；

2.      微型鏡片陣列：M+N個微型鏡片排成矩形陣列，每個鏡片對應一個輸入或輸出端口，鏡片可沿單軸或雙軸偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)光信號的反射切換；

3.      永磁體陣列：提供穩(wěn)定的磁場環(huán)境，輔助微型鏡片的偏轉(zhuǎn)控制，提升偏轉(zhuǎn)角度的穩(wěn)定性；

4.      驅(qū)動控制電路：通過靜電或電磁驅(qū)動方式，精準控制每個微型鏡片的偏轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)光路的精準切換。

（三）工作原理

二維MXNMEMS光開關的工作流程如下：

1.      輸入光信號經(jīng)輸入準直器陣列準直后，投射至對應的輸入側微型鏡片；

2.      驅(qū)動電路控制輸入側鏡片偏轉(zhuǎn)，將光信號反射至輸出側對應的微型鏡片；

3.      驅(qū)動電路控制輸出側鏡片偏轉(zhuǎn)，將光信號反射至目標輸出準直器；

4.      輸出準直器將光信號耦合至輸出光纖，完成光路切換。

例如，當需要將輸入端口1的光信號切換至輸出端口3時，驅(qū)動電路控制輸入側鏡片1偏轉(zhuǎn)至特定角度，將光信號反射至輸出側鏡片3，再控制輸出側鏡片3偏轉(zhuǎn)，將光信號耦合至輸出端口3。

（四）技術特點與局限性

二維MXNMEMS光開關的核心優(yōu)勢是控制邏輯簡單——每個輸入端口對應一個輸入側鏡片，每個輸出端口對應一個輸出側鏡片，控制指令清晰，易于實現(xiàn)；同時，結構相對簡單，生產(chǎn)成本較低。

但其局限性也較為明顯：隨著端口數(shù)的增加，鏡片陣列的規(guī)模擴大，光路間隔長度不均勻，導致不同端口的插入損耗差異較大（一致性差）；此外，二維平面的空間限制使得端口數(shù)難以突破64，無法滿足超大規(guī)模容量需求。

三、三維M×N MEMS光開關：技術突破與挑戰(zhàn)

三維MXNMEMS光開關是為解決二維結構端口擴展受限、插入損耗一致性差等問題而研發(fā)的高性能結構，其核心創(chuàng)新在于將兩組微型鏡片陣列在自由空間中立體布置，每個鏡片均可沿X軸和Y軸任意角度旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)更靈活、更大容量的光交換。

（一）內(nèi)部結構示意圖

圖2 三維MXNMEMS光開關示意圖

（二）核心技術突破

1.      立體陣列設計：兩組鏡片陣列分別為“輸入側偏轉(zhuǎn)陣列”和“輸出側偏轉(zhuǎn)陣列”，光信號需經(jīng)過兩次反射實現(xiàn)切換——輸入側陣列控制光信號的水平方向偏轉(zhuǎn)，輸出側陣列控制光信號的垂直方向偏轉(zhuǎn)，通過兩次偏轉(zhuǎn)的組合，實現(xiàn)任意輸入端口到任意輸出端口的切換；

2.      全角度旋轉(zhuǎn)鏡片：每個微型鏡片均可沿兩軸實現(xiàn)±4.5°范圍內(nèi)的任意角度旋轉(zhuǎn)，相比二維結構的單軸偏轉(zhuǎn)，靈活性大幅提升；

3.      高精度對準技術：通過激光對準與校準工藝，確保兩組鏡片陣列的位置精度誤差≤1μm，保障光信號的高效耦合。

（三）工作原理

三維M×N MEMS光開關的工作流程如下：

1.      輸入光信號經(jīng)輸入準直器準直后，投射至輸入側鏡片陣列中的對應鏡片；

2.      驅(qū)動電路控制輸入側鏡片旋轉(zhuǎn)至特定角度，將光信號反射至輸出側鏡片陣列中的目標鏡片（水平方向定位）；

3.      驅(qū)動電路控制輸出側鏡片旋轉(zhuǎn)至特定角度，將光信號反射至目標輸出準直器（垂直方向定位）；

4.      輸出準直器將光信號耦合至輸出光纖，完成全交換。

（四）技術優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

三維M×N MEMS光開關的核心優(yōu)勢的是：

1.      端口容量大：立體結構突破了二維平面的空間限制，可實現(xiàn)M/N≤64的大容量全交換；

2.      插入損耗一致性好：光路設計對稱，不同端口的離軸像差差異小，插入損耗一致性優(yōu)于二維結構；

3.      擴展性強：通過增加鏡片陣列的規(guī)模，可進一步提升端口數(shù)，滿足超大規(guī)模容量需求。

其主要技術挑戰(zhàn)在于：

1.      鏡片控制精度要求高：需同時精準控制輸入側與輸出側兩組鏡片的旋轉(zhuǎn)角度，任何一組鏡片的角度偏差都會導致光信號耦合效率下降；

2.      裝配工藝復雜：兩組鏡片陣列的立體裝配精度要求極高，裝配過程中需避免灰塵、振動等干擾；

3.      成本較高：雙陣列設計與高精度控制電路導致產(chǎn)品成本高于二維結構。

目前，國內(nèi)對三維M×N MEMS光開關的研究多處于實驗階段，廣西科毅通過多年技術攻關，已實現(xiàn)三維MXN光開關的商業(yè)化量產(chǎn)，其鏡片控制精度、裝配工藝均達到行業(yè)領先水平，產(chǎn)品已應用于國內(nèi)多個大型數(shù)據(jù)中心項目。

四、級聯(lián)式M×N MEMS光開關：方案設計與優(yōu)缺點

除了二維、三維結構外，級聯(lián)式MXNMEMS光開關是實現(xiàn)全交換的另一種重要方案，其核心思路是通過M+N個1×N MEMS光開關的級聯(lián)組合，實現(xiàn)多路輸入到多路輸出的全交換。

（一）光路組成框圖

圖3 M×N MEMS光開關光路組成框圖

（二）結構設計原理

級聯(lián)式MXNMEMS光開關的結構分為兩級：

1.      第一級（輸入級）：由M個1XM光開關組成，每個輸入端口對應一個1XM光開關，負責將輸入光信號切換至中間傳輸鏈路；

2.      中間傳輸鏈路：M條光纖鏈路，連接輸入級與輸出級；

3.      第二級（輸出級）：由N個1XN光開關組成，每個輸出端口對應一個1XN光開關，負責將中間鏈路的光信號切換至目標輸出端口。

通過兩級開關的協(xié)同控制，可實現(xiàn)任意輸入端口到任意輸出端口的全交換——例如，輸入端口1的光信號經(jīng)第一級1XM光開關切換至中間鏈路3，再經(jīng)第二級1XN光開關切換至輸出端口5，完成交換過程。

（三）方案優(yōu)缺點

優(yōu)點：

1.      方案靈活：可根據(jù)客戶需求，通過組合不同端口數(shù)的1XN光開關，快速實現(xiàn)定制化的MXN全交換方案，無需重新設計鏡片陣列；

2.      技術成熟：基于成熟的1XNMEMS光開關技術，級聯(lián)方案的可靠性高，研發(fā)周期短；

3.      維護便捷：若某一級開關出現(xiàn)故障，可單獨更換故障單元，無需整體更換設備，降低維護成本。

缺點：

1.      光路復雜：多級切換導致光路熔接與盤纖難度大，容易引入額外的插入損耗；

2.      集成度低：相比二維、三維結構，級聯(lián)方案需要更多的器件與光路空間，產(chǎn)品體積較大，難以滿足高集成化需求；

3.      切換速度慢：兩級開關的協(xié)同切換導致整體切換時間較長，通常比二維、三維結構慢5~10ms。

因此，級聯(lián)式MXNMEMS光開關更適合用于定制化容量需求、維護便捷性要求高的場景，而二維、三維結構更適合高集成化、大容量、高速切換的場景。

五、M×N MEMS光開關核心性能指標詳解

M×N MEMS光開關的性能指標直接決定其在光網(wǎng)絡中的應用效果，廣西科毅的M×N系列產(chǎn)品通過技術優(yōu)化，關鍵性能指標達到行業(yè)領先水平，具體參數(shù)如下表所示：

六、M×N MEMS光開關的核心應用場景

M×N MEMS光開關憑借其大容量、無阻塞全交換的特性，已深度應用于光通信網(wǎng)絡的核心環(huán)節(jié)，以下是其典型應用場景：

（一）大型數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)絡

大型數(shù)據(jù)中心通常擁有數(shù)萬甚至數(shù)十萬臺服務器，需要通過光網(wǎng)絡實現(xiàn)服務器之間、服務器與存儲設備之間的高速互連。MXNMEMS光開關作為數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)絡的核心交換單元，能夠?qū)崿F(xiàn)：

1.      負載均衡：將不同服務器的光信號動態(tài)切換至負載較低的鏈路，提升網(wǎng)絡傳輸效率；

2.      故障倒換：當某條光鏈路出現(xiàn)故障時，快速將數(shù)據(jù)切換至備用鏈路，實現(xiàn)自愈保護，保障業(yè)務不中斷；

3.      動態(tài)調(diào)度：根據(jù)業(yè)務需求，靈活調(diào)整光鏈路連接，滿足AI訓練、云計算等大帶寬業(yè)務的傳輸需求。

廣西科毅的32×64 M×N光開關產(chǎn)品，已應用于國內(nèi)某大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)了數(shù)萬臺服務器的光互連，傳輸帶寬達100Gbps，運行穩(wěn)定可靠。

（二）骨干光網(wǎng)絡OXC設備

骨干光網(wǎng)絡是連接不同區(qū)域、不同城市的核心通信網(wǎng)絡，OXC設備作為骨干網(wǎng)絡的“交通樞紐”，需要實現(xiàn)海量光鏈路的靈活調(diào)度。M×N MEMS光開關作為OXC設備的核心交換模塊，能夠：

1.      實現(xiàn)不同區(qū)域光鏈路的無阻塞連接，提升網(wǎng)絡的路由靈活性；

2.      支持光信號的多方向分發(fā)，滿足多播業(yè)務需求；

3.      快速響應網(wǎng)絡拓撲變化，實現(xiàn)鏈路的動態(tài)調(diào)整與優(yōu)化。

在省級骨干光網(wǎng)絡中，廣西科毅的16×32 M×N光開關產(chǎn)品，幫助運營商實現(xiàn)了1000余條光鏈路的調(diào)度，網(wǎng)絡自愈時間縮短至20ms以內(nèi)。

（三）智能光配（IODF）系統(tǒng)

智能光配系統(tǒng)是機房、數(shù)據(jù)中心的核心布線管理設備，需要實現(xiàn)光鏈路的集中管理、快速配置與實時監(jiān)控。MXNMEMS光開關的集成化特性使其能夠無縫嵌入IODF設備，實現(xiàn)：

1.      光端口的遠程控制與自動切換，無需人工現(xiàn)場操作，提升運維效率；

2.      多路光鏈路的集中管理，簡化機房布線，降低管理成本；

3.      光鏈路狀態(tài)的實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)并定位故障，縮短故障修復時間。

（四）5G核心網(wǎng)光傳輸

5G核心網(wǎng)需要實現(xiàn)基站與核心網(wǎng)節(jié)點、核心網(wǎng)節(jié)點之間的高速光傳輸，M×N MEMS光開關能夠滿足5G核心網(wǎng)的大容量、低時延需求：

1.      實現(xiàn)多個基站的光信號向核心網(wǎng)節(jié)點的集中傳輸，提升傳輸效率；

2.      支持光鏈路的動態(tài)調(diào)整，滿足5G業(yè)務的峰值帶寬需求；

3.      低時延切換（＜20ms）保障5G語音、視頻等實時業(yè)務的傳輸質(zhì)量。

M×N MEMS光開關的發(fā)展趨勢與廣西科毅的布局

隨著全光通信網(wǎng)絡向“超高速、超大容量、超智能”方向發(fā)展，MXNMEMS光開關的技術發(fā)展將呈現(xiàn)三大趨勢：

1.      更高集成度：端口數(shù)將從目前的64提升至128甚至256，滿足超大規(guī)模容量需求；

2.      更快切換速度：切換時間將從毫秒級向微秒級突破，進一步提升網(wǎng)絡自愈與調(diào)度效率；

3.      更低損耗：通過鏡片工藝、準直器設計的優(yōu)化，插入損耗將進一步降低，提升光信號傳輸效率。

廣西科毅光通信科技有限公司緊跟行業(yè)發(fā)展趨勢，已啟動128端口MXN光開關的研發(fā)，預計2025年實現(xiàn)量產(chǎn)；同時，在驅(qū)動電路集成、封裝工藝優(yōu)化等方面持續(xù)投入，致力于推出更高速、更低損耗的產(chǎn)品。

擇合適的光開關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(shù)，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術扎實、質(zhì)量可靠、服務專業(yè)的合作伙伴。

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