在自主駕駛、激光雷達（Lidar）等新興技術(shù)快速發(fā)展的今天，光開關(guān)作為光子集成電路（PIC）的核心組件，承擔著光信號引導、發(fā)射與切換的關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)波束控制方案（如微鏡陣列、光學相控陣）面臨視場有限、控制復雜、對激光器要求苛刻等痛點，而MEMS（微機電系統(tǒng)）光開關(guān)憑借緊湊結(jié)構(gòu)、快速切換、高消光比等優(yōu)勢，成為芯片級激光雷達（固態(tài)激光雷達）的理想選擇。廣西科毅光通信深耕光通信領(lǐng)域，將專利級MEMS光開關(guān)技術(shù)落地量產(chǎn)，為行業(yè)提供高效、穩(wěn)定的光開關(guān)解決方案。

一、MEMS光開關(guān)核心技術(shù)優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)光開關(guān)（熱光開關(guān)、液晶開關(guān)等），MEMS光開關(guān)在性能上實現(xiàn)多重突破，尤其適配激光雷達等高精度場景：

1.      耦合效率可控：開啟狀態(tài)下總線波導與耦合波導/光學天線耦合效率≥50%，關(guān)閉狀態(tài)≤1%，信號切換精準無干擾；

2.      切換速度快：依托MEMS靜電致動器與輕量化耦合器設計，切換響應速度滿足激光雷達高頻工作需求；

3.      結(jié)構(gòu)緊湊：單片集成于PIC芯片，可形成二維陣列布局，大幅節(jié)省安裝空間；

4.      控制簡單：無需復雜電子器件，支持行/列尋址或子陣列同步控制，降低系統(tǒng)集成成本；

5.      穩(wěn)定性強：采用固定光學天線+可移動耦合器設計，避免機械磨損，延長使用壽命。

二、MEMS光開關(guān)核心結(jié)構(gòu)與工作原理

MEMS光開關(guān)的核心設計圍繞“電壓控制距離、距離調(diào)節(jié)耦合效率”展開，主要包含三種專利結(jié)構(gòu)方案，均已通過廣西科毅光通信技術(shù)驗證：

（一）基礎型MEMS光開關(guān)：梳狀驅(qū)動結(jié)構(gòu)

核心組成包括基板支撐的總線波導、致動電極與反應電極。致動電極帶有垂直于基板的鰭部，與反應電極的叉指鰭部形成梳狀驅(qū)動器，通過電壓差控制反應電極位置：

6.      電壓差＜下閾值（接近0V或±5V以內(nèi)）：反應電極距總線波導為第一距離（≥650nm），光信號沿總線波導無干擾傳輸，開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)；

7.      電壓差＞上閾值：反應電極移動至第二距離（≤180nm），光信號高效耦合至耦合波導或光學天線，開關(guān)處于開啟狀態(tài)。

圖1 光開關(guān)陣列系統(tǒng)的頂視圖

圖2 光開關(guān)陣列系統(tǒng)的側(cè)視圖

（二）增強型MEMS光開關(guān)：排斥電極輔助控制

在基礎結(jié)構(gòu)上增加排斥電極，與致動電極配合形成“吸引力+排斥力”雙控機制：

8.      致動電極與反應電極施加相反極性電壓（產(chǎn)生吸引力），排斥電極與反應電極施加相同極性電壓（產(chǎn)生排斥力）；

9.      當吸引力＜排斥力時，反應電極保持第一距離（關(guān)閉狀態(tài)）；當吸引力＞排斥力時，反應電極移動至第二距離（開啟狀態(tài)）；

10.    部分方案增設光電檢測器與閉環(huán)反饋機制，實時調(diào)節(jié)電壓差，確保耦合效率穩(wěn)定。

圖3  在懸置層上具有可移動光耦合器并且在基板層上具有固定光學天線的開關(guān)陣烈布局的頂視圖，其中詳細說明了單個元件

（三）陣列型MEMS光開關(guān)：多通道波束控制

通過總線波導分路、光開關(guān)陣列布局，實現(xiàn)二維波束控制，核心組成包括：

11.    固定光學天線陣列（可按行/列選擇性啟用）；

12.    懸掛式耦合波導（與反應電極同步移動）；

13.    多組致動電極（獨立控制單個或子陣列開關(guān)）；

14.    支持發(fā)射、接收或收發(fā)一體模式，適配激光雷達ToF（飛行時間）與FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）操作。

圖4 在開關(guān)陣列中具有光耦合懸臂和固定光學天線的光開關(guān)的透視圖

圖5 二維固定光學天線的透視圖

三、關(guān)鍵組件設計解析

1.光學天線與耦合波導

15.    光學天線：采用光柵結(jié)構(gòu)，可設計為單行/單列或二維陣列，固定于基板層（避免移動影響性能），支持光信號在自由空間的定向發(fā)射/接收；

16.    耦合波導：懸掛于總線波導上方，采用漸變錐形設計（尖端寬度0.08-0.2μm，基部0.2-0.5μm），縮短耦合長度并降低傳輸損耗。

圖6 總線波導和對應的耦合器波導的透視圖

2.致動與限位機制

17.    靜電致動：通過電極間電壓差產(chǎn)生靜電力，驅(qū)動耦合波導/反應電極移動，電壓需求低（典型值40V可實現(xiàn)620nm位移）；

18.    非機械限位：采用靜電懸浮或梳狀驅(qū)動器替代傳統(tǒng)機械限位器，避免摩擦磨損，延長使用壽命。

圖7 具有梳狀驅(qū)動器的開關(guān)的透視圖,該梳狀驅(qū)動器用于控制總線波導與光柵之間的耦合距離

圖8 沿著圖45A的切口的橫截面圖,其圖示了梳狀驅(qū)動器

3.陣列控制方案

19.    行/列尋址：M×N陣列僅需M+N個控件，通過激活目標行與列的電極實現(xiàn)單個開關(guān)啟動（如圖7）；

圖9 被配置成獨立尋址行和列的開關(guān)陣列系統(tǒng)的示圖

20.    子陣列同步：支持多個子陣列同時啟動，適配大范圍波束掃描需求（如圖8）；

圖10 被配置成同時尋址子陣列的開關(guān)陣列系統(tǒng)的示圖

21.    分路樹組合：結(jié)合分路樹與二元開關(guān)，實現(xiàn)光功率均勻分配或選擇性引導（如圖11、12）。

圖11 包括分路樹(splitter tree)和光開關(guān)的光開關(guān)陣列系統(tǒng)的透視圖圖

圖12 包括分路樹和至少兩種類型的光開關(guān)的光開關(guān)陣列系統(tǒng)的透視圖

四、核心性能參數(shù)與測試數(shù)據(jù)

廣西科毅光通信通過大量實驗驗證，MEMS光開關(guān)關(guān)鍵性能指標如下：

圖13 耦合效率關(guān)于耦合錐形(taper)長度的圖形表示

圖14 傳輸損耗關(guān)于波長的圖形表示

圖15 沿Z軸的位移關(guān)于切換速度的圖形表示

圖16 強度關(guān)于發(fā)射角的圖形表示

五、應用場景

MEMS光開關(guān)憑借高可靠性與靈活適配性，已廣泛應用于：

1.      芯片級激光雷達：適配自主車輛、無人機的環(huán)境感知系統(tǒng)，實現(xiàn)大范圍、高精度波束掃描；

2.      光通信設備：作為光子集成電路的核心切換組件，用于數(shù)據(jù)中心、光纖通信的光信號路由；

3.      傳感系統(tǒng)：工業(yè)傳感、生物傳感等領(lǐng)域的光信號精準控制與傳輸；

4.      軍工電子：小型化、高穩(wěn)定性需求的特種光電子設備。

圖17 接收和發(fā)射光信號的光開關(guān)陣列系統(tǒng)的透視圖

六、廣西科毅光通信技術(shù)實力

廣西科毅光通信（官網(wǎng)：www.parisworlds.com）專注光開關(guān)、光耦合器等光通信核心器件的研發(fā)與量產(chǎn)，依托專利級MEMS技術(shù)，實現(xiàn)從芯片設計、封裝測試到系統(tǒng)集成的全鏈條服務。公司產(chǎn)品通過嚴苛環(huán)境測試，適配-40℃~85℃工作溫度范圍，已為多家激光雷達廠商、通信設備商提供定制化解決方案。

我們始終以“技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動產(chǎn)品升級”為核心，持續(xù)優(yōu)化MEMS光開關(guān)的耦合效率、切換速度與穩(wěn)定性，助力客戶攻克技術(shù)痛點，提升產(chǎn)品競爭力。

擇合適的光開關(guān)及光衰減器等光學器件是一項需要綜合考量技術(shù)、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(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、服務專業(yè)的合作伙伴。

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