在上一篇文章中，我們分析了M+N型、MXN型、M型三類傳統(tǒng)光開關(guān)的技術(shù)短板，而交叉矩陣光開關(guān)通過核心結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，實現(xiàn)了“開關(guān)單元數(shù)量精簡”與“切換穩(wěn)定性提升”的雙重突破。本文將聚焦交叉矩陣光開關(guān)的核心技術(shù)細(xì)節(jié)，從結(jié)構(gòu)組成、轉(zhuǎn)向反射鏡創(chuàng)新、角度對準(zhǔn)方案三個維度，深入解析其技術(shù)優(yōu)勢，幫助行業(yè)用戶全面掌握這一先進(jìn)光開關(guān)技術(shù)的核心邏輯。

一、交叉矩陣光開關(guān)的整體結(jié)構(gòu)組成

交叉矩陣光開關(guān)的核心設(shè)計思路是“精簡單元+精準(zhǔn)對準(zhǔn)”，其整體結(jié)構(gòu)包含六大核心部件，各部件協(xié)同工作，實現(xiàn)任意輸入端口到任意輸出端口的穩(wěn)定光路切換。

具體結(jié)構(gòu)如下：

（一）輸入端口陣列與輸出端口陣列

輸入端口陣列包含多個輸入端口，用于接收多路相互平行的光信號；輸出端口陣列包含多個輸出端口，用于輸出多路相互平行的光信號。兩大陣列的核心設(shè)計特點是“方向垂直+平面平行”——光信號方向相互垂直，且均在與基底第一參考平面平行的平面內(nèi)。這一設(shè)計為光路的90度轉(zhuǎn)向和精準(zhǔn)切換奠定了基礎(chǔ)。

（二）基底與第一參考平面

基底是整個光開關(guān)的承載結(jié)構(gòu)，其表面設(shè)有第一參考平面，作為光信號轉(zhuǎn)向和角度對準(zhǔn)的基準(zhǔn)面。第一參考平面的平整度直接影響光路切換的精度，因此在制造過程中需嚴(yán)格控制平面誤差，確保為后續(xù)角度對準(zhǔn)提供穩(wěn)定基準(zhǔn)。

（三）轉(zhuǎn)向反射鏡：核心切換部件

轉(zhuǎn)向反射鏡是交叉矩陣光開關(guān)的核心功能部件，其數(shù)量與輸入端口數(shù)量相同，每個輸入端口對應(yīng)一個轉(zhuǎn)向反射鏡。該部件的核心作用是將輸入端口的光信號在與第一參考平面平行的平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)90度，精準(zhǔn)導(dǎo)向目標(biāo)輸出端口。

與傳統(tǒng)M型光開關(guān)的單一反射鏡不同，交叉矩陣光開關(guān)的轉(zhuǎn)向反射鏡采用“雙反射面45度夾角”設(shè)計，這一創(chuàng)新結(jié)構(gòu)使其具備“旋轉(zhuǎn)不敏感”特性——即使轉(zhuǎn)向反射鏡在第一參考平面內(nèi)發(fā)生一定角度旋轉(zhuǎn)，光信號的90度轉(zhuǎn)向角仍保持不變。

根據(jù)具體結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向反射鏡分為兩種類型，如圖1a、1b、2a、2b所示：

1.      五角棱鏡型轉(zhuǎn)向反射鏡

圖1a：交叉矩陣光開關(guān)，開關(guān)單元采用兩次反射的五角棱鏡

圖2a 五角棱鏡型開關(guān)單元圖

五角棱鏡型轉(zhuǎn)向反射鏡包含45度夾角的兩個反射面，光信號在棱鏡內(nèi)發(fā)生兩次反射，同時光線進(jìn)出棱鏡的兩個面夾角為90度。從光學(xué)原理來看，出射光線與入射光線的轉(zhuǎn)向角為兩個反射面夾角的兩倍（即90度），且這一轉(zhuǎn)向角不受棱鏡在第一參考平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的影響，確保了光路切換的穩(wěn)定性。

2.雙平面反射鏡型轉(zhuǎn)向反射鏡

圖1b 交叉矩陣光開關(guān)，開關(guān)單元采用兩個平面反射鏡

圖2b 雙平面反射鏡型開關(guān)單元

該類型轉(zhuǎn)向反射鏡由兩塊45度夾角的平面反射鏡組成，光信號經(jīng)兩次反射后，同樣實現(xiàn)90度轉(zhuǎn)向。與五角棱鏡型類似，其轉(zhuǎn)向角對兩塊反射鏡在第一參考平面內(nèi)的整體旋轉(zhuǎn)不敏感，能夠有效抵御機械抖動帶來的角度誤差，提升光路切換的可靠性。

（四）移動機構(gòu)：精準(zhǔn)位移驅(qū)動

移動機構(gòu)與轉(zhuǎn)向反射鏡一一對應(yīng)，核心功能是驅(qū)動轉(zhuǎn)向反射鏡進(jìn)行直線平移，實現(xiàn)輸出端口的選擇。其具體組成包括絲桿、直線位移驅(qū)動器和直線位置傳感器：

1.      直線位移驅(qū)動器：提供動力，驅(qū)動轉(zhuǎn)向反射鏡在絲桿上做直線運動；

2.      直線位置傳感器：采用電阻傳感器，通過滑動電阻的阻值變化實時探測轉(zhuǎn)向反射鏡的位置，確保位移精度；

3.      絲桿：作為導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，保證轉(zhuǎn)向反射鏡平移過程的直線度，避免偏移導(dǎo)致的光路偏差。

通過這一組合設(shè)計，移動機構(gòu)能夠?qū)⑥D(zhuǎn)向反射鏡精準(zhǔn)移動到輸入端口與輸出端口光信號的交叉位置，為光信號的轉(zhuǎn)向切換提供精準(zhǔn)定位。

二、角度對準(zhǔn)方案：被動對準(zhǔn)與主動對準(zhǔn)的雙重選擇

角度旋轉(zhuǎn)存在三個方向，轉(zhuǎn)向反射鏡的“雙反射面”設(shè)計僅能實現(xiàn)對第一參考平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的不敏感性，對另外兩個方向的旋轉(zhuǎn)仍較為敏感。為解決這一問題，交叉矩陣光開關(guān)提供了兩種角度對準(zhǔn)方案，分別適用于不同應(yīng)用場景。

（一）被動對準(zhǔn)方案：物理接觸式精準(zhǔn)定位

被動對準(zhǔn)方案的核心是“參考平面物理接觸”，通過機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)角度校準(zhǔn)。

具體設(shè)計如下：

轉(zhuǎn)向反射鏡的底部設(shè)有第二參考平面，該平面包含不共線的三個觸點（三點確定一個平面，確保定位精度）。當(dāng)移動機構(gòu)將轉(zhuǎn)向反射鏡移動到光信號交叉位置時，會同時驅(qū)動轉(zhuǎn)向反射鏡下移，使第二參考平面的三個觸點與基底的第一參考平面產(chǎn)生物理接觸。

這一設(shè)計通過機械接觸的方式，實現(xiàn)了另外兩個方向的角度對準(zhǔn)。結(jié)合轉(zhuǎn)向反射鏡本身對第一參考平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的不敏感性，最終實現(xiàn)了三個方向的被動對準(zhǔn)，有效抵御機械抖動誤差，確保光路切換的穩(wěn)定性和可靠性。

（二）主動對準(zhǔn)方案：非接觸式實時校準(zhǔn)

在部分不適合物理接觸的應(yīng)用場景（如高潔凈環(huán)境、精密儀器集成），交叉矩陣光開關(guān)提供主動對準(zhǔn)方案，通過“角度調(diào)整機構(gòu)+方向探測器”的組合，實現(xiàn)非接觸式實時角度校準(zhǔn)。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 交叉矩陣光開關(guān)的第二個實施例

1.核心部件組成

①角度調(diào)整機構(gòu)：采用壓電陶瓷或電磁驅(qū)動器驅(qū)動，可對轉(zhuǎn)向反射鏡進(jìn)行二維角度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度高達(dá)微米級；

②方向探測器：固定在轉(zhuǎn)向反射鏡上，包含激光發(fā)射單元、激光接收單元、光纖準(zhǔn)直器和連接光纖；

③遠(yuǎn)端處理模塊：包含功分器（分離發(fā)射和接收激光信號）、激光發(fā)射源和信號接收分析單元。

2. 工作原理

激光發(fā)射單元發(fā)射的激光經(jīng)光纖饋入，通過光纖準(zhǔn)直器發(fā)射到第一參考平面；激光被第一參考平面反射后，由光纖準(zhǔn)直器接收并耦合到光纖中，傳輸至遠(yuǎn)端的激光接收單元；接收單元通過分析激光光強的變化，判斷轉(zhuǎn)向反射鏡與第一參考平面的角度關(guān)系；將角度偏差信號反饋給角度調(diào)整機構(gòu)，機構(gòu)實時調(diào)整轉(zhuǎn)向反射鏡的角度，確保光路始終保持精準(zhǔn)對準(zhǔn)。

主動對準(zhǔn)方案的優(yōu)勢在于無需物理接觸，避免了機械磨損帶來的精度下降，同時實時校準(zhǔn)機制能夠應(yīng)對動態(tài)環(huán)境中的角度偏移，適用于對穩(wěn)定性要求極高的高端應(yīng)用場景。

三、交叉矩陣光開關(guān)的技術(shù)優(yōu)勢總結(jié)

相比傳統(tǒng)光開關(guān)技術(shù)，交叉矩陣光開關(guān)通過核心結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，實現(xiàn)了四大技術(shù)突破：

1.      開關(guān)單元數(shù)量精簡：僅需M個轉(zhuǎn)向反射鏡（與輸入端口數(shù)量相同），遠(yuǎn)少于MXN型的MXN個單元，降低了設(shè)備復(fù)雜度和故障率；

2.      機械誤差不敏感：轉(zhuǎn)向反射鏡的雙反射面設(shè)計，使其對第一參考平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)不敏感，被動/主動對準(zhǔn)方案抵御另外兩個方向的角度偏差；

3.      切換穩(wěn)定性高：插入損耗?。o額外光反饋回路干擾），光路切換成功率高，滿足高精度通信需求；

4.      場景適應(yīng)性強：兩種轉(zhuǎn)向反射鏡類型、兩種角度對準(zhǔn)方案，可適配不同應(yīng)用場景的需求，靈活度極高。

下一篇文章將結(jié)合具體實施案例，詳細(xì)解析交叉矩陣光開關(guān)的實際應(yīng)用場景、安裝調(diào)試要點，以及廣西科毅光通信科技有限公司的產(chǎn)品優(yōu)勢，為用戶提供從技術(shù)理解到產(chǎn)品選型的完整參考。

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