每年，全球數(shù)據(jù)量的增長曲線都在變得更加陡峭。我們手機里的視頻、云端不斷訓練的AI模型、工廠里流動的傳感器信息，所有這些都在逼迫著數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡進行一場靜默的革命。作為這場革命的核心物理層器件，光開關(guān)的性能，直接決定著數(shù)據(jù)“立交橋”的效率和容量。

傳統(tǒng)的馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）光開關(guān)有個“老毛病”：由于納米級的制造誤差幾乎無法避免，每個開關(guān)單元在出廠時，其“開”和“關(guān)”的初始狀態(tài)都會偏離設計值。這聽起來似乎只是個小小的偏差，但當你要把成千上萬個這樣的單元集成到一塊芯片上，組成一個大規(guī)模光交換陣列時，問題就變得無比棘手。工程師不得不為每一個單元配備監(jiān)控探測器和額外的加熱電極，實時進行相位補償。這不僅讓控制系統(tǒng)復雜得像一團亂麻，更帶來了巨大的額外功耗和光信號損耗。可以說，“校準”二字，成了束縛大規(guī)模光開關(guān)陣列發(fā)展的最大枷鎖。

那么，能否打造一種天生就“規(guī)整”，幾乎不需要校準的光開關(guān)單元呢？我們的研究給出了一條清晰的路徑：核心思路是“展寬波導，馴服光場”。

(一)從“纖細”到“寬厚”：讓波導對誤差不再敏感

想象一下，在一條狹窄的小巷里，墻壁上的一點凹凸都會讓行人感到局促；而在一條寬闊的大道上，同樣的凹凸則幾乎無法被察覺。傳統(tǒng)硅光波導就像那條小巷，寬度通常在500納米以下，相當于頭發(fā)絲的百分之一。如此微小的尺寸下，側(cè)壁哪怕只有幾個原子的粗糙起伏，都會顯著改變光傳播的相位，這就是“隨機相位誤差”的主要來源。

我們的突破在于，大膽地將MZI干涉臂中關(guān)鍵的“相移區(qū)”波導寬度，從傳統(tǒng)的450納米，增加到了1微米甚至2微米。同時，將其長度從幾百微米大幅縮短至30微米。這樣做的好處是雙重的：第一，更寬的波導使得光場分布更加“舒展”

，對側(cè)壁的局部變化變得不敏感；第二，更短的長度意味著即便有誤差，累積的效應也大大減小。

2微米寬相移區(qū)波導的MZI結(jié)構(gòu)顯微鏡圖

理論計算令人振奮：僅僅通過這一項改變，開關(guān)單元對寬度制造誤差的敏感度（即歸一化相位誤差）就能降低一到兩個數(shù)量級。實驗數(shù)據(jù)更是有力地支撐了這一點：我們對上百個不同寬度的開關(guān)單元進行了測試統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)將相移區(qū)拓寬至2微米后，其隨機相位誤差的平均值和波動范圍，分別降至傳統(tǒng)設計的約1/375和1/11。這意味著，大部分開關(guān)在制造完成后，其初始狀態(tài)就已經(jīng)非常接近理想的“開”或“關(guān)”，所需的校準功耗微乎其微。

(二)彎曲處的藝術(shù)：歐拉曲線與模場濾波

然而，一個完整的MZI開關(guān)單元不僅僅只有相移區(qū)。連接分束器的彎曲波導（S-bend）往往很長，是另一個誤差積累的“重災區(qū)”。而且，當我們把相移區(qū)拓寬后，如果連接它的仍然是傳統(tǒng)的單模彎曲波導，就會形成“寬-窄-寬”的瓶頸，不僅引入損耗，還可能激發(fā)我們不希望的高階模式光，導致串擾惡化。

為此，我們設計了一種獨特的“寬度漸變歐拉彎曲波導”。歐拉曲線是一種曲率連續(xù)變化的曲線，常用于高速公路的設計，能讓車輛平滑過渡。我們將其應用于光波導，并讓波導的寬度也從起始端到末端平滑漸變。這樣設計出的S彎，不僅自身非常緊湊（面積僅約9x9微米2），而且光在其中傳輸非常順暢，損耗極低。

基于歐拉彎曲波導的低隨機相位誤差開關(guān)單元結(jié)構(gòu)示意圖

但問題又來了：寬波導可以支持多個模式，從前面多模干涉耦合器（MMI）泄露過來的一點點高階模，在寬波導里可能“如魚得水”，跑到輸出端造成干擾。我們的解決辦法頗為巧妙：在歐拉彎曲的一個特定位置，引入一段非?？拷摹挾炔煌摹鞍閭H波導”，構(gòu)成一個非對稱的定向耦合器。這個結(jié)構(gòu)對基模光幾乎沒影響，卻能將偷偷溜進來的高階模巧妙地“勾走”，耦合到旁邊的波導中耗散掉。這樣一來，我們就實現(xiàn)了“低誤差”和“低串擾”的兼得。

(三)邁向“無校準”陣列：從單元到系統(tǒng)

基于上述的低隨機相位誤差單元，我們首次在實驗上成功搭建并測試了無需初始校準的4×4、8×8乃至16×16 MZI光開關(guān)陣列。這標志著，復雜的外部反饋控制系統(tǒng)可以被極大簡化。

以4x4陣列為例，在完全不施加任何校準電壓的“出廠狀態(tài)”下，其所有通道的插入損耗約為3dB，串擾優(yōu)于-20dB。當我們給所有開關(guān)單元施加一個統(tǒng)一的、標準的切換電壓，使其全部切換到另一個狀態(tài)時，性能依然保持穩(wěn)定。更令人鼓舞的是，我們成功通過該陣列實現(xiàn)了30Gbps的高速數(shù)據(jù)路由切換，眼圖清晰張開，證明了其在真實系統(tǒng)中的實用性。

無校準4×4 MZI光開關(guān)陣列傳輸光譜

從被制造誤差牽著鼻子走，到通過結(jié)構(gòu)設計使其影響變得微不足道，低隨機相位誤差MZI光開關(guān)單元代表了一種設計哲學的根本轉(zhuǎn)變。它讓大規(guī)模光交換陣列擺脫了校準的沉重負擔，朝著更高集成度、更低功耗、更易控制的方向邁出了關(guān)鍵一步。

在廣西科毅光通信，我們不僅關(guān)注這樣的前沿突破，更致力于思考如何將這些實驗室的創(chuàng)新，轉(zhuǎn)化為客戶手中穩(wěn)定、可靠的產(chǎn)品。我們知道，通往全光交換時代的道路上，每一個“無需校準”的開關(guān)單元，都是一塊堅實的鋪路石。

擇合適的光開關(guān)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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（注：本文部分內(nèi)容可能由AI協(xié)助創(chuàng)作，僅供參考）