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2025-11-18
在全光網(wǎng)絡高速發(fā)展的今天，光開關作為實現(xiàn)光信號路由選擇、交叉連接和自愈保護的核心器件，其性能直接影響整個通信系統(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）設備等場景中，對光開關的光路建立速度、能量損耗控制、長期穩(wěn)定性提出了極高要求。
當前主流的MEMS（微機電系統(tǒng)）光開關，通過硅基底上的可移動微鏡反射光信號實現(xiàn)路徑切換。其核心邏輯是讓兩個微鏡在X、Y兩個垂直方向上轉動至理想角度，使光信號從輸入端口經(jīng)兩次反射精準到達輸出端口，從而減少能量損耗。
但傳統(tǒng)技術中，微鏡角度校準采用“四層嵌套步進掃描”模式，存在明顯痛點：
1. 掃描效率極低：每個微鏡的兩個方向需分步轉動，外層循環(huán)需等待內(nèi)層循環(huán)完成，單微鏡單方向轉動步數(shù)達n步時，兩層微鏡共需n?步，總耗時往往超過100秒，嚴重影響光開關上電啟動速度；
2. 能量損耗控制不足：驅動臂材料特性與制造工藝差異導致微鏡角度漂移，傳統(tǒng)步進掃描難以精準捕捉最優(yōu)驅動參數(shù)；
3. 穩(wěn)定性欠佳：多層循環(huán)的間歇式轉動易導致微鏡狀態(tài)波動，影響光路傳輸?shù)囊恢滦浴?/span>
針對這些痛點，廣西科毅光通信科技有限公司（官網(wǎng)：www.m.rise-pj.com）研發(fā)了創(chuàng)新的光開關路徑建立方案，實現(xiàn)了掃描速度與損耗控制的雙重突破。
要理解創(chuàng)新方案的優(yōu)勢，首先需明確MEMS光開關的核心結構與傳統(tǒng)光路建立邏輯。
MEMS光開關主要由處理器、至少兩個微鏡及驅動模塊組成，其核心執(zhí)行單元為微鏡陣列與驅動系統(tǒng)：
1. 微鏡結構：每個微鏡包含鏡面與4個驅動臂（如圖5所示），驅動臂A、D控制Y方向轉動，驅動臂B、C控制X方向轉動，通過驅動臂的抬起與下沉實現(xiàn)微鏡角度調節(jié)；
2. 微鏡陣列：光開關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現(xiàn)多光路切換；
3. 驅動系統(tǒng)：通過電壓或電流信號驅動微鏡轉動，傳統(tǒng)驅動信號為臺階形（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）。
光信號的路徑建立本質是尋找微鏡的最優(yōu)驅動信號參數(shù)。如圖1所示，輸入端口發(fā)射的光信號經(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。當微鏡角度偏差時，光信號會偏離輸出端口，產(chǎn)生能量損耗（能量損耗=輸入光功率-輸出光功率）。
傳統(tǒng)技術通過“四層嵌套步進掃描”確定最優(yōu)參數(shù)：
1. 四層循環(huán)分別對應第一微鏡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)采用步進式轉動，每轉動一個預設角度（如0.1°）就暫停，記錄驅動參數(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)，導致總步數(shù)激增，耗時過長。
圖1 光開關中建立路徑的示意圖
圖2 MEMS光開關微鏡驅動臂結構示意圖
圖3 一種光開關的結構示意圖
圖4 一種微鏡陣列的示意圖
圖5 光開關中微鏡的結構示意圖
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，大幅減少轉動步數(shù)與掃描時間。
該方案將四層循環(huán)拆解為兩個獨立的雙層循環(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.目標角度范圍獲?。?a href="https://www.m.rise-pj.com/home/product/index.html" target="_blank" title="光開關">光開關上電后，先獲取第一微鏡（第二目標角度范圍）與第二微鏡（第一目標角度范圍）的盲掃角度范圍（如2°-3°），避免全角度掃描浪費時間；
2.第一微鏡參數(shù)優(yōu)化：
①控制第一微鏡每隔第一時間間隔（如210ms）轉動一個預設角度（如0.1°），采用臺階形驅動信號保持轉動間歇的穩(wěn)定性；
②每當?shù)谝晃㈢R轉動一次后，控制第二微鏡在第一目標角度范圍內(nèi)連續(xù)轉動一周（如圖6所示），驅動信號采用諧振波、鋸齒波或三角波（如圖9-11），且轉動周期不大于第一時間間隔；
③當光信號能量損耗小于預設閾值（如10dB）時，記錄第一微鏡的驅動信號參數(shù)與損耗值，直至第一微鏡覆蓋全部第二目標角度范圍；
④通過加權平均（權重與損耗負相關）或選取最小損耗對應的參數(shù)，確定第一微鏡的目標驅動信號參數(shù)。
3.第二微鏡參數(shù)優(yōu)化：
①固定第一微鏡的目標驅動信號參數(shù)，使其保持理想角度；
②控制第二微鏡每隔第二時間間隔（如110ms）轉動一個預設角度，采用步進式掃描；
③記錄能量損耗小于閾值時的驅動參數(shù)，通過同樣的方法確定第二微鏡的目標驅動信號參數(shù)；
④基于目標參數(shù)驅動第二微鏡，完成光路建立。
該方案針對更復雜的應用場景，將第二微鏡的兩個方向拆分處理，先協(xié)同優(yōu)化第一微鏡與第二微鏡X方向參數(shù)，再單獨優(yōu)化第二微鏡Y方向參數(shù)：
1. 三層步進+一層連續(xù)掃描：
①控制第一微鏡每隔第三時間間隔（如1210ms）轉動預設角度，同時控制第二微鏡X方向每隔第四時間間隔（如11ms）轉動預設角度；
②每當?shù)诙㈢RX方向轉動一次，控制其Y方向在第一目標角度范圍內(nèi)連續(xù)轉動一周（驅動信號為連續(xù)波形）；
③記錄能量損耗達標的驅動參數(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方向的目標參數(shù)；
⑤控制第二微鏡Y方向每隔第五時間間隔（如10ms）步進轉動，記錄最優(yōu)參數(shù)并驅動；
圖6 一種微鏡轉動的示意圖
圖7 一種用于光開關的路徑建立方法的流程圖
圖9 光開關諧振波驅動信號波形圖
圖10 MEMS光開關微鏡角度調節(jié)示意圖
圖11 種用于控制微鏡連續(xù)轉動的驅動信號的波形示意圖
1. 掃描速度提升顯著：將四層步進循環(huán)轉化為“步進+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）。實驗證明，當單方向步數(shù)為11步時，傳統(tǒng)方案耗時146秒，方案一僅需2秒（提速73倍），方案二需12秒（提速12倍）；
2. 能量損耗精準控制：通過連續(xù)掃描捕捉更多有效參數(shù)，結合加權平均或最小損耗篩選，確保微鏡角度達到最優(yōu)，光信號損耗低于預設閾值；
3. 穩(wěn)定性更強：連續(xù)驅動信號減少微鏡啟停波動，驅動臂應力釋放更均勻，降低角度漂移風險；
4. 兼容性廣：支持X、Y方向獨立或同步調節(jié)，驅動信號波形可靈活切換，適配不同場景需求。
1. 數(shù)據(jù)中心：光開關需頻繁切換光路以應對流量波動，本方案2秒內(nèi)完成光路建立，滿足毫秒級響應要求；
2. 5G基站：戶外環(huán)境對光開關穩(wěn)定性要求高，連續(xù)掃描技術減少微鏡機械損耗，延長使用壽命；
3. 光交叉連接（OXC）設備：多光路并行切換時，快速掃描能力提升設備整體吞吐量。
1. 能耗優(yōu)化：連續(xù)驅動信號的能量利用率高于步進信號，減少光開關運行功耗；
2. 維護成本降低：微鏡角度穩(wěn)定性提升，減少校準頻次；
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、質量可靠、服務專業(yè)的合作伙伴。
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