光開關作為光通信網絡中的關鍵器件，經歷了從傳統(tǒng)機械式到現代MEMS微機電系統(tǒng)的重大技術演進。這一變革不僅大幅提升了光開關的性能指標，還推動了光通信網絡向高速、大容量、智能化方向發(fā)展。機械式光開關憑借其低插入損耗和高可靠性，在早期光網絡建設中扮演了重要角色；而MEMS光開關則通過微機電技術與硅光子學的融合，實現了體積小型化、速度提升和大規(guī)模集成，成為當前光網絡升級的核心驅動力。本文將系統(tǒng)梳理光開關技術的演進歷程、性能對比、應用領域變化及未來發(fā)展趨勢，為理解這一光通信基礎器件的發(fā)展提供全面視角。

一、機械式光開關：光通信網絡的奠基者

機械式光開關是光通信領域的早期技術，主要通過物理移動光纖、棱鏡或反射鏡來實現光路的切換。其核心優(yōu)勢在于插入損耗低(<1dB)、消光比高(>45dB)、無偏振敏感性，且與光纖耦合效率高，這些特性使其在早期光網絡保護倒換、光纖測試等場景中占據主導地位。機械式光開關根據驅動原理可分為三大類：棱鏡切換型、反射鏡切換型和光纖移動型。

棱鏡切換型光開關的基本結構是將光纖與準直器相連固定，通過移動棱鏡改變輸入輸出端口間的光路。這種結構簡單可靠，但棱鏡的機械移動導致響應時間較長(約2ms)，且難以實現大規(guī)模集成。反射鏡切換型光開關則通過控制反射鏡的進入或退出光路來實現直通或交叉狀態(tài)，當反射鏡未進入光路時，光開關處于直通狀態(tài)，光纖1的光進入光纖4，光纖2的光進入光纖3；當反射鏡處于兩光線交點位置時，光開關處于交叉狀態(tài)，光纖1的光進入光纖3，光纖2的光進入光纖4。反射鏡型光開關的插入損耗通常低于0.5dB，消光比可達45dB以上，但響應時間在毫秒量級，且大端口擴展困難。光纖移動型光開關通過固定一端光纖，移動另一端光纖與固定光纖的不同端口相耦合實現切換，其特點是回波損耗低，但受溫度影響較大，且未形成真正意義上的商用化產品。

在歷史演進方面，機械式光開關在20世紀90年代至2000年代初成為光網絡建設的主流選擇。早期的機械光開關多采用繼電器+棱鏡組合方式，但金屬疲勞問題限制了其可靠工作次數(約10?量級)。隨著技術發(fā)展，2000年后出現了壓電陶瓷驅動和馬赫-曾德干涉儀方案，但因性能不足未被廣泛采用。2010年前后，機械式光開關在小端口(1×2、2×2)和成本敏感場景中仍保持主導地位，而國內廠商如上海鴻輝光通科技股份有限公司在2016年前后仍以機械式光開關為主要產品，推動了透射型1×2、1×4、1×8光開關的商用化，這些產品結構緊湊、性能優(yōu)良、穩(wěn)定性高，贏得了市場認可。

在市場表現上，機械式光開關憑借成本優(yōu)勢(1×2型號約$50)和成熟工藝，在傳統(tǒng)網絡維護領域仍具競爭力。據漢鼎咨詢公司預測，2005年機械式光開關約占市場1/4，2010年占比達1/2左右。當前機械式光開關主要應用于光纖光柵壓力傳感解調系統(tǒng)、電力通信網絡保護倒換、光纖測試與監(jiān)測等場景，這些領域對速度要求不高但對可靠性要求極高。例如，在光纖光柵壓力傳感系統(tǒng)中，機械式光開關通過時分復用技術，可將同根光纖上光柵傳感節(jié)點反射的信號在時間上區(qū)分，從而實現系統(tǒng)可接入傳感節(jié)點數量的倍增，顯著降低系統(tǒng)成本。

科毅可提供的機械式光開關類型有1xN / 2x2 /1x1 / 1x2/ Dx2B等，如下所示，均屬于機械式光開關。

二、MEMS光開關：技術突破與性能飛躍

MEMS光開關是近年來光通信領域的重大創(chuàng)新，它通過將微機電系統(tǒng)(MEMS)技術與微光學、微機械技術相結合，實現了光開關的微型化、集成化和高速化。MEMS光開關的核心優(yōu)勢在于響應速度快(微秒級)、體積小、集成度高，同時保持了低插損(≤2dB)、低串擾(≥50dB)和高消光比(>20dB)的性能指標，這些特性使其成為高速光網絡升級的理想選擇。

MEMS光開關的工作原理是在硅晶上刻出若干微小鏡片，通過靜電力或電磁力驅動微鏡產生升降、旋轉或移動，從而改變輸入光的傳播方向以實現光路通斷。根據功能實現方法，MEMS光開關可分為光路遮擋型、移動光纖對接型和微鏡反射型。其中微鏡反射型MEMS光開關因其便于集成和控制的特性，成為研究重點，進一步分為二維MEMS光開關和三維MEMS光開關。二維MEMS光開關的活動微鏡和光纖位于同一平面上，采用N2結構方案，即對一個N×N光開關矩陣，需要N2個活動微鏡。例如，4×4光開關需要16個微鏡，8×8光開關則需要64個微鏡。這種結構設計簡單，但擴展性受限。三維MEMS光開關則通過兩組可繞軸改變傾斜角度的微反射鏡實現光束在三維空間的偏轉，對于N×N轉換僅需2N個反射鏡，大幅降低了微鏡數量需求，提高了擴展性。

在技術創(chuàng)新方面，MEMS光開關經歷了多個里程碑式的發(fā)展。2005年，Wu等人首次報道了將MEMS執(zhí)行器與硅光子學結合的大規(guī)模光開關，實現了高端口數、低插入損耗的特性。2016年，64×64的MEMS驅動波導型光開關被率先報道，包含4096個開關單元，片上最大傳輸損耗為3.7dB，開關時間達0.91μs，串擾低于-60dB。2023年，浙江大學戴道鋅/李歡研究團隊創(chuàng)新性地提出了分離波導交叉(SWX)結構，尺寸僅23μm×23μm，開關能耗低至0.42pJ，支持300nm帶寬，且完全兼容標準硅光流片工藝，這一突破為MEMS光開關的大規(guī)模集成鋪平了道路。此外，雙層梳齒驅動結構的應用使MEMS光開關的響應時間縮短至0.627ms，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)機械式光開關。

在性能對比上，MEMS光開關與機械式光開關存在明顯差異。以1×N光開關為例，機械式光開關的插入損耗通常<1dB，但隨著端口數增加，需要通過級聯方式擴展，導致總體積增大、插入損耗增加和切換時間延長。例如，從1路到24路的切換，轉換時間可達150ms。相比之下，MEMS光開關采用單器件方式實現大端口擴展，如億源通的1×48 MEMS光開關，尺寸僅φ5.5×47mm，通道插損<1.5dB，TDL偏振損耗控制在0.4dB以內，RL回波損耗>45dB，且使用壽命可達10億次，遠超機械式光開關的百萬次級壽命。

在應用場景上，MEMS光開關已從實驗室走向產業(yè)化，在數據中心、6G通信、衛(wèi)星激光通信等新興領域展現出巨大潛力。例如，2024年億源通的1×48 MEMS光開關在數據中心光互連中得到廣泛應用，支持1.6T光模塊的部署；浙江大學SWX結構MEMS光開關在激光雷達(LiDAR)和光譜學領域展現出超低損耗、超高速度的特性，為高精度傳感提供了解決方案；光隆科技的MEMS光開關應用于防空導彈系統(tǒng)，實現了納秒級指令切換，顯著提升了系統(tǒng)的反應速度。

科毅光通信可提供的MEMS光開關有MEMS 1×N光開關 / MEMS 2×N光開關/ MEMS 2×2B光開關/ MEMS M×N光開關/ MEMS N×N矩陣光開關等，如下所示：

三、技術演進：從實驗室到產業(yè)化

光開關技術的演進經歷了從實驗室研究到產業(yè)化應用的完整歷程，這一過程體現了材料科學、微加工技術和系統(tǒng)集成的協(xié)同發(fā)展。從1990年代的機械式光開關到2020年代的MEMS光開關，技術演進主要體現在材料選擇、驅動機制、集成度和性能指標四個方面。

在材料選擇上，早期機械式光開關主要采用金屬和玻璃材料，而MEMS光開關則轉向半導體材料，尤其是硅基材料。硅的高折射率差使其光器件尺寸非常緊湊，且CMOS兼容性使其能夠利用成熟的半導體制造工藝實現大規(guī)模集成。此外，III-V族半導體材料如磷化銦(InP)因其高電子遷移率(約1790 cm2/(V·s))和低吸收損耗特性，成為高速光開關的理想選擇。2025年，Nature Photonics發(fā)表的研究成果展示了基于InGaAsP/Si混合結構的非厄米特系統(tǒng)光開關，實現了響應時間低至100皮秒的超高速性能，標志著光開關技術正式邁入亞納秒時代。

在驅動機制上，機械式光開關主要依賴微電機、壓電陶瓷等宏觀驅動方式，而MEMS光開關則采用靜電驅動、電磁驅動等微尺度驅動技術。靜電梳齒驅動結構因其結構簡單、魯棒性強、易于大規(guī)模集成的特性，成為MEMS光開關的主流驅動方式。例如，一種帶輔助電極的基于預置偏轉角方法的新型MEMS芯片，通過引入輔助電極，使芯片具有大偏轉角的同時，驅動電壓有效降低，適于用作光開關芯片。此外，2024年永嘉縣電力實業(yè)有限公司開發(fā)的基于GaN HEMT的高速高壓驅動電路，使光開關的響應時間縮短至納秒級別，進一步提升了光開關的性能。

在集成度方面，機械式光開關受限于機械結構，難以實現大規(guī)模集成，通常需要通過級聯方式擴展端口數，導致體積和功耗顯著增加。而MEMS光開關則通過微機電技術與硅光子學的融合，實現了高密度集成。例如，2023年報道的垂直絕熱耦合器(VACs)MEMS光開關，尺寸僅110μm×110μm，驅動電壓為65V，支持240×240和128×128的交叉矩陣，為大規(guī)模光互連提供了可能。2025年，浙江大學SWX結構MEMS光開關已實現64×64陣列的商用化，并計劃推出128×128陣列，這將極大推動光網絡的規(guī)模擴展。

在性能指標上，光開關技術經歷了從低速、小端口到高速、大端口的演進。早期機械式光開關的切換時間在毫秒量級，而現代MEMS光開關已降至微秒甚至納秒量級。插入損耗方面，機械式光開關通常<1dB，MEMS光開關則在1-2dB范圍內，且通過結構優(yōu)化仍在持續(xù)改善。消光比方面，機械式光開關可達45dB以上，MEMS光開關則普遍>20dB，滿足大多數應用場景需求。2025年，基于SWX結構的MEMS光開關在1420-1600nm波段實現了0.12-0.7dB的插入損耗和<-44dB的串擾，同時開關速度達到3.5μs，標志著MEMS光開關性能已接近甚至超越部分傳統(tǒng)機械式光開關。

四、成本結構與市場接受度分析

光開關技術的演進不僅體現在性能提升上，也反映在成本結構和市場接受度的變化上。機械式光開關憑借成熟工藝和低制造成本，在小端口市場保持主導地位；而MEMS光開關則通過規(guī)模化生產和良率提升，逐步降低單位成本，拓展了在大端口和高速場景的應用。

從成本結構看，機械式光開關的單件成本較低(如1×2型號約$50)，但隨著端口數增加，級聯導致的系統(tǒng)總成本上升顯著。例如，構建8×8光開關矩陣需要4個4×4機械光開關，每個4×4開關包含16個微鏡，總體積和功耗都較大。此外，機械式光開關的制造工藝相對簡單，無需復雜的半導體制造設備，適合小批量生產。然而，機械式光開關的長期維護成本較高，因為其機械部件容易磨損，壽命有限(約百萬次)。

MEMS光開關的初期研發(fā)成本較高，但隨著工藝成熟和良率提升，單位成本持續(xù)下降。國產6英寸InP襯底良率從60%提升至90%可使成本降低約50%，這將極大推動MEMS光開關的普及。以億源通的1×48 MEMS光開關為例，其尺寸與低通道單器件差異不大，但成本及指標優(yōu)勢明顯，目前已具備批量生產能力。根據材料[38]的市場分析，雖然MEMS光開關單價較高(如1×48型號約$300)，但其高集成度和長壽命特性使其長期維護成本更低，綜合經濟效益更高。

在市場接受度方面，機械式光開關在2010年占全球市場50%以上，但在高速、大容量光網絡需求推動下，MEMS光開關的市場份額持續(xù)增長。據漢鼎咨詢公司預測，2025年MEMS光開關預計占全球市場約40%，主要應用于數據中心、6G通信和衛(wèi)星激光通信等新興領域。國際廠商如JDSU、OPLINK等仍主導高端MEMS光開關市場，而國內廠商如華芯晶電、億源通等通過國產化襯底和工藝優(yōu)化，正在縮小與國際廠商的差距。

從應用場景看，機械式光開關在傳統(tǒng)網絡維護領域仍具競爭力，如光纖測試與監(jiān)測、光器件測試、電力通信網絡保護倒換等。而MEMS光開關則在新興領域展現出優(yōu)勢，如AI算力互連、6G通信、衛(wèi)星激光通信和光計算等。2025年，飛宇光纖推出的96通道WDM+毫秒級光開關，支持動態(tài)重構光網絡路徑，滿足英偉達1.6T網卡需求，標志著MEMS光開關在數據中心領域的規(guī)?；瘧?/strong>。

五、未來發(fā)展趨勢與潛在應用場景

隨著光通信技術的快速發(fā)展，光開關技術正朝著更高性能、更低成本、更廣應用的方向演進。未來光開關技術將主要沿著三大方向發(fā)展：與硅光子學的深度集成、超高速全光開關的商用化以及在新興領域的應用拓展。

在技術路線方面，硅基光電子集成技術將成為光開關發(fā)展的主流方向。2.5D/3D集成(也被歸為光電共封裝(CPO)技術)是縮短互連長度、減小芯片尺寸從而減小寄生效應、提高集成密度和減小功耗的最具潛力的方案。2.5D集成將PIC和EIC都通過倒裝鍵合方式集成在轉接板上，通過轉接板上的金屬布線實現互連；3D集成則將PIC直接作為轉接板，實現與EIC的垂直互連。這種集成方式將使光開關的尺寸、重量和成本進一步下降，功耗也隨之降低。曦智科技在2022年實現的512通道硅光互連系統(tǒng)，能在1ns內完成多個計算核之間”All-to-All”的數據廣播，展示了光開關在光互連領域的巨大潛力。

全光開關的商用化也將是未來重要趨勢。目前，基于電光效應、熱光效應等的非機械式光開關已實現納秒甚至皮秒級響應速度，但插入損耗和串擾問題仍需解決。2025年Nature Photonics發(fā)表的100皮秒級InGaAsP/Si混合結構光開關，以及2011年實驗實現的10ps級高速光開關，為全光開關的商用化提供了技術基礎。推薦閱讀《InP光開關新突破！Nature Photonics發(fā)布100皮秒級超高速光開關技術》未來全光開關有望在量子通信、光計算等對速度要求極高的領域得到應用。

在應用場景拓展方面，光開關技術將在以下新興領域發(fā)揮重要作用：

首先，在量子通信領域，光開關將用于構建安全的量子交換網絡平臺。通過光開關量子交換器，可以在量子通信網絡的信源、信宿之間建立光子鏈路，為雙方通信提供量子通道。2020年中國研究的量子交換機模塊已應用于電力通信領域，通過”一次一密”方式在主站與終端之間提供無線安全通信鏈路，確?？刂浦噶钤趥鬏敃r不被破解、不可竊聽。2023年印度科學家提出的量子開關應用方案，展示了其在量子隨機訪問碼、量子操控等信息任務中的潛力。

其次，在生物傳感領域，光開關將支持更高效的多目標檢測系統(tǒng)。基于偶氮苯衍生物的光開關分子探針可用于細胞膜離子通道調控，如K?通道的光控開關，為生物醫(yī)學研究提供工具。此外，光開關可用于SPR(表面等離子體共振)傳感器系統(tǒng)，通過動態(tài)切換檢測通道，實現多目標污染物的實時監(jiān)測，檢測限可達納克級。

第三，在光計算與AI芯片領域，光開關將推動低延遲、高帶寬的數據傳輸。曦智科技的512通道硅光互連系統(tǒng)展示了光開關在光計算架構中的核心地位，其1ns級的延遲響應將極大提升算力效率。隨著AI訓練模型參數量的爆發(fā)增長，傳統(tǒng)銅線互連已無法滿足超大數據中心對延遲與帶寬的要求，光開關成為構建可重構光網絡(ROADM)、實現片間/板間光互連的關鍵器件。

最后，在海島電力網絡等特殊場景，光開關將提升系統(tǒng)的安全性和可靠性。舟山電力公司已投運量子開關273臺，覆蓋93條架空線路，實現了故障精準定位及隔離，將故障處置時間從小時級縮短至分鐘級，顯著提升了供電可靠性至99.9912%。這種基于”4G+量子”或”5G+量子”技術的光開關應用，為海島配網”全自愈”建設提供了有力支撐。

六、結論與展望

從機械到MEMS的光開關技術演進，不僅提升了光網絡的性能指標，還推動了光通信向智能化、高速化、大容量方向發(fā)展。機械式光開關憑借低插損和高可靠性，在傳統(tǒng)網絡維護領域仍具競爭力；而MEMS光開關則通過微機電技術與硅光子學的融合，實現了體積小型化、速度提升和大規(guī)模集成，成為當前光網絡升級的核心驅動力。

未來，隨著硅基光電子集成技術的成熟和全光開關的商用化，光開關將在更多新興領域發(fā)揮關鍵作用。在數據中心領域，光開關將支持AI算力互連，降低數據傳輸延遲；在6G通信領域，光開關將工作在太

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