摘要

光開關矩陣是智能光交叉連接設備（IOXC）與可重構光分插復用器（ROADM）的核心技術支撐，更是構建自動交換光網絡（ASON）的基礎器件。作為專注光通信核心器件研發(fā)與生產的廣西科毅光通信科技有限公司（官網：www.www.czflyt.com），在光開關矩陣技術產業(yè)化及 ASON 網絡落地中積累了豐富實踐經驗。本文結合行業(yè)主流光開關矩陣技術進展（如 MEMS、壓電光束導向、自動光耦合技術），融入廣西科毅的產品研發(fā)與應用案例，詳細解析光開關矩陣的技術原理、性能優(yōu)勢及在 ASON 網絡中的實際應用價值，為光通信行業(yè)客戶提供技術參考與選型依據。

1 引言

1.1 光矩陣開關的工作機制與行業(yè)需求

光矩陣開關的核心功能是實現多輸入光纖與多輸出光纖間的靈活光路切換，其典型結構包含 “輸入光纖 - 聚焦透鏡 - 光束控制單元 - 接收透鏡 - 輸出光纖” 五大模塊。具體工作流程為：每根輸入光纖的光信號經透鏡聚焦為準直光束后，通過電子控制技術（如微鏡偏轉、準直器對準）使光束精準指向目標輸出光纖，最終由輸出端透鏡將光信號聚焦至輸出光纖中 —— 這一過程的信號切換時間可控制在 50ms 以內，完全滿足 ASON 網絡的動態(tài)配置需求。

值得注意的是，光矩陣開關需解決兩大關鍵問題：一是串音干擾（不同輸入光束相交時無信號串擾），二是環(huán)境穩(wěn)定性（抵御振動、溫度波動對光路的影響）。廣西科毅在產品設計中，通過伺服控制系統(tǒng)實現全流程自動監(jiān)測與校準：系統(tǒng)可實時檢查所有光纖連接狀態(tài)，主動消除振動（如機房設備運行振動）及溫度變化（-40℃~85℃工業(yè)級環(huán)境）導致的光路偏移，無需人工干預校準 —— 這一設計已應用于公司全系列光開關矩陣產品，在某省運營商干線網絡中實現連續(xù) 18 個月無人工維護運行。

此外，光矩陣開關的控制指令可通過多渠道輸入：既支持線路終端本地控制，也可通過 Windows 系統(tǒng) PC 軟件、網絡管理協(xié)議（如 SNMP 簡單網絡管理協(xié)議）遠程操作，廣西科毅還為客戶定制了專屬管理平臺（可通過官網www.www.czflyt.com下載試用），支持批量設備的光路配置與狀態(tài)監(jiān)控，提升運維效率。

1.2 自動交換光網絡（ASON）的技術框架與核心器件

自動交換光網絡（ASON）是光通信領域的 “智能骨干網”，其核心特征是全光域傳輸與交換—— 數據從源節(jié)點到目的節(jié)點的整個過程無需經過 “光 - 電 - 光” 轉換，徹底突破傳統(tǒng)數字交叉連接（DXC）設備的 “電子瓶頸”。ASON 網絡的擴容與靈活組網，依賴兩大核心器件：

1.      智能光交叉連接設備（IOXC）：實現多端口光信號的無阻塞交叉連接，支持不同速率、協(xié)議信號的透明傳輸；

2.      可重構光分插復用器（ROADM）：靈活上下路任意波長信號，無需中斷現有業(yè)務，滿足動態(tài)帶寬調整需求。

而光開關矩陣正是 IOXC 與 ROADM 的 “心臟”—— 無論是 IOXC 的光路交叉，還是 ROADM 的波長選擇，均需光開關矩陣提供穩(wěn)定、高速的切換能力。廣西科毅的光開關矩陣產品已批量配套于 IOXC、ROADM 設備，覆蓋運營商干線網、數據中心互聯(lián)（DCI）、企業(yè)專網等場景，助力客戶構建高效的 ASON 網絡。

2 光開關矩陣核心技術及廣西科毅實踐

2.1 MEMS技術：大容量光開關矩陣的主流方案

MEMS（微機電系統(tǒng)）技術是當前大規(guī)模光開關矩陣（如 32×32、64×64 端口）的主流實現方式，其核心原理是通過靜電力 / 電磁力驅動微鏡偏轉，改變輸入光的傳播方向，從而實現任意輸入與輸出端口的連接。

2.1.1 三維 MEMS 光開關矩陣的技術細節(jié)

三維MEMS光開關矩陣采用 “三級光反射系統(tǒng)”（如圖 1），每一條光路由 “輸入端活動微鏡 + 中間固定反射鏡 + 輸出端活動微鏡” 組成：

3.      輸入端活動微鏡：每根輸入光纖對應 1 個，固定在萬向支架上，可沿任意方向偏轉，用于將輸入光束反射至中間固定反射鏡；

4.      中間固定反射鏡：作為光路中轉節(jié)點，確保光束穩(wěn)定傳輸；

5.      輸出端活動微鏡：每根輸出光纖對應 1 個，同樣可靈活偏轉，將中間反射鏡的光束精準反射至輸出光纖。

對于 M×N 端口的三維MEMS光開關矩陣，需配備 M+N 個活動微鏡（輸入端 M 個、輸出端 N 個），每個輸入端微鏡需支持 N 種偏轉狀態(tài)（對應 N 個輸出端口），每個輸出端微鏡需支持 M 種偏轉狀態(tài)（對應 M 個輸入端口）。該結構的優(yōu)勢是微鏡數量少、交叉容量易擴展，但對微鏡偏轉精度與控制電路的穩(wěn)定性要求極高。

 圖1 三維MEMS 光開關矩陣原理示意圖

2.1.2 廣西科毅的 MEMS 技術優(yōu)化與產品應用

廣西科毅在三維MEMS光開關矩陣研發(fā)中，針對行業(yè)痛點進行了兩項關鍵優(yōu)化：

1.      微鏡材質與驅動方案：采用鈦合金微鏡 + 靜電驅動設計，微鏡偏轉精度控制在 ±0.1°，較行業(yè)常規(guī)玻璃微鏡的穩(wěn)定性提升 30%，串音指標可達 - 60dB（遠優(yōu)于行業(yè) - 50dB 的平均水平）；

2.      控制電路集成：自主研發(fā)專用控制芯片，將 M+N 個微鏡的驅動電路集成于單塊 PCB 板，減少電路干擾，使開關切換時間縮短至 30ms（優(yōu)于原文提到的 50ms 標準）。

目前，該技術已應用于廣西科毅MEMS光開關矩陣系列產品，其中 16×16 端口型號已批量供貨給某省電信的 ASON 干線網，用于 IOXC 設備的光路交叉連接，實際運行中實現 “零串擾、零故障” 的穩(wěn)定表現。

2.2 壓電光束導向技術：低損耗光開關的優(yōu)選方案

壓電光束導向技術（又稱 “直接光束控制技術”）的核心優(yōu)勢是無反射損耗—— 通過直接控制光纖準直器的對準，而非依賴微鏡反射，使光信號從輸入準直器直接傳入輸出準直器，大幅降低插入損耗與波長相關損耗。

2.2.1 技術原理與核心難點突破

該技術的實現流程分為三步：

1.      準直器陣列構建：將光纖準直器固定在機械結構上，組成 “輸入準直器陣列” 與 “輸出準直器陣列”，兩面陣列相對排列，構成光開關矩陣的基礎結構；

2.      固態(tài)驅動控制：采用壓電陶瓷作為驅動材料 —— 壓電陶瓷在電壓控制下可沿軸向改變尺寸（電壓越大，尺寸變化越大），但常規(guī)壓電陶瓷的尺寸變化僅為幾微米，無法滿足準直器對準所需的位移（需幾十至幾百微米）；

3.      位移放大設計：通過杠桿式位移放大器，將壓電陶瓷的微米級位移放大至 100~500μm，確保輸入與輸出準直器精準對準（同軸度誤差＜5μm）。

2.2.2 廣西科毅的壓電技術產品與性能指標

廣西科毅針對壓電光束導向技術，研發(fā)了KY-Piezo 系列光開關矩陣，其核心優(yōu)勢體現在：

4.      低插入損耗：由于無微鏡反射，插入損耗穩(wěn)定控制在 0.5dB 以下（行業(yè)平均水平為 0.8~1.2dB），波長相關損耗＜0.1dB（覆蓋 C 波段 1530~1565nm）；

5.      高環(huán)境適應性：位移放大器采用不銹鋼材質，在 - 40℃~85℃環(huán)境下，位移精度誤差＜3%，可適應戶外基站、工業(yè)控制等惡劣場景；

6.      靈活端口配置：支持 4×4、8×8、16×16 端口定制，目前已應用于某數據中心的 DCI 互聯(lián)場景，解決了傳統(tǒng)MEMS光開關在長距離傳輸中的損耗問題。

2.3 自動光耦合技術：超低損耗與高可靠性的極致方案

自動光耦合技術（Dynamic Optical Coupling）是當前光開關矩陣中光學指標最優(yōu)的方案 —— 通過高精度步進電機驅動光纖連接頭直接物理耦合，光路中無任何微鏡、透鏡、準直器等器件，從根本上消除了光學器件帶來的損耗與干擾。

2.3.1 技術原理與核心組件

該技術的核心是 “高精度定位 + 鎖定裝置”，具體實現如下：

1.      三層結構設計：光開關矩陣分為 “上層主動交換層”“中層光纖鎖定層”“下層主動交換層”—— 上下層均部署光纖連接頭（由高精度步進電機控制），中層為鎖定裝置，負責完成光纖連接頭的物理耦合；

2.      高精度定位：步進電機的定位精度可達 0.01mm，確保光纖連接頭可精準插入中層鎖定裝置，耦合對準誤差＜2μm；

3.      鎖定與抗干擾：中層鎖定裝置采用彈性卡扣設計，不僅使光路性能媲美高精度光纖連接器（插入損耗＜0.3dB），還能抗擊振動（10~2000Hz 振動下耦合穩(wěn)定性＞99.9%），且斷電后仍保持現有光路連接（避免業(yè)務中斷）。

2.3.2 廣西科毅的自動光耦合產品與行業(yè)應用

廣西科毅的KY-DOC 系列自動光耦合光開關矩陣，針對行業(yè)高端需求優(yōu)化設計：

4.      超低插入損耗：典型插入損耗僅 0.2dB，回波損耗＞50dB，滿足長距離干線傳輸對低損耗的嚴苛要求；

5.      快速耦合速度：步進電機采用伺服控制，單次耦合時間＜100ms，支持批量光路的快速配置；

6.      應用場景：目前已配套于某能源企業(yè)的專網 ASON 網絡，用于關鍵業(yè)務（如電力調度信號）的傳輸，其 “斷電保連接” 特性確保了極端情況下的業(yè)務連續(xù)性。

3 光開關矩陣在 ASON 網絡中的應用實踐（廣西科毅案例）

3.1 光開關矩陣在 IOXC 設備中的核心應用

智能光交叉連接設備（IOXC）是 ASON 網絡的 “交換中樞”，可在光域實現高速信息的接入、傳輸、路由交換及故障恢復，徹底解決傳統(tǒng) DXC 設備的 “電子瓶頸” 問題。IOXC 的核心是光交叉連接矩陣，而光開關矩陣正是光交叉連接矩陣的關鍵組成部分。

3.1.1 IOXC 的功能模塊與光開關矩陣的作用

IOXC 設備主要由 “光交叉連接矩陣”“輸入接口”“輸出接口”“管理控制單元” 四部分組成（如圖 2）：

7.      輸入 / 輸出接口：負責光信號的放大（如 EDFA 放大器）、適配（支持不同速率信號），廣西科毅的 IOXC 設備接口還集成了光功率監(jiān)測功能，可實時反饋信號狀態(tài)；

8.      光交叉連接矩陣：實現任意輸入端口與輸出端口的光信號交叉連接，核心是光開關矩陣與波分復用（WDM）技術的結合（如圖 3）—— 通過波分解復用器將多波長信號分離，再由光開關矩陣實現單波長信號的交叉，最后由波分復用器合波輸出；

9.      管理控制單元：控制光交叉連接矩陣完成切換，同時監(jiān)測端口信號與矩陣狀態(tài)，廣西科毅的管理單元支持與 SNMP 協(xié)議兼容，可接入運營商的統(tǒng)一網管平臺。

圖2 IOXC 功能模塊示意圖

圖3 多個光開關矩陣和波分復用解復用器組成的光交叉連接矩陣   

3.1.2 廣西科毅 IOXC 設備的行業(yè)案例

廣西科毅基于MEMS光開關矩陣，研發(fā)了KY-IOXC 系列智能光交叉連接設備，并在某省聯(lián)通的 ASON 干線網中落地應用：

10.    容量與性能：設備集成 32×32 MEMS光開關矩陣，支持 C 波段 40 波信號的交叉連接，故障恢復時間＜50ms，滿足運營商 “5 個 9”（99.999%）的可靠性要求；

11.    業(yè)務透明性：支持 SDH（2.5G/10G）、OTN（100G）、以太網（10G/100G）等多協(xié)議信號的透明傳輸，無需更換設備即可適配不同業(yè)務；

12.    運維效率：通過官網www.www.czflyt.com的遠程管理平臺，客戶可實時監(jiān)控光路狀態(tài)、配置交叉連接，運維人員現場工作量減少 70%。

3.2 光開關矩陣在 ROADM 設備中的靈活應用

可重構光分插復用器（ROADM）是 ASON 網絡中 “動態(tài)組網” 的關鍵器件 —— 相比傳統(tǒng) OADM（固定波長上下路），ROADM 可靈活配置任意波長的上下路，無需中斷現有業(yè)務，滿足運營商 “按需擴容” 的需求。而光開關矩陣是 ROADM 實現 “波長選擇交換” 的核心支撐。

3.2.1 ROADM 的技術架構與光開關矩陣的價值

ROADM 的主流實現方式是 “分波器 + 光開關矩陣 + 合波器”（如圖 4），具體流程為：

1.      分波：通過 WDM 解復用器（分波器）將輸入光纖中的多波長信號分離為單波長信號；

2.      波長選擇：由光開關矩陣實現單波長信號的 “下路”（傳輸至本地）或 “直通”（繼續(xù)傳輸至下一節(jié)點），同時將本地業(yè)務信號 “上路”（插入至目標波長）；

3.      合波：通過 WDM 復用器（合波器）將處理后的單波長信號合波，輸出至下一節(jié)點。

該架構的優(yōu)勢是上下路端口靈活—— 由于光開關矩陣具有無阻塞交叉功能，可將任一波長信號下路到任意本地端口，特別適合上下路端口數量多的網絡節(jié)點（如核心機房）。若加入光轉發(fā)器，還可實現任意波長的上路（如將本地 1550nm 信號轉換為 1535nm 信號上路），進一步提升組網靈活性。

圖 4 由分波器+光開關矩陣+合波器和轉發(fā)器構成的 ROADM

3.2.1 廣西科毅 ROADM 設備的產品優(yōu)勢與案例

廣西科毅基于壓電光束導向技術的光開關矩陣，推出KY-ROADM 系列可重構光分插復用器，已應用于某城市的城域 ASON 網絡：

4.      波長靈活性：支持 C 波段 40 波信號，可靈活上下路任意 1~10 個波長，無需更換硬件即可調整上下路配置；

5.      低損耗與穩(wěn)定性：采用 KY-Piezo 光開關矩陣，插入損耗＜0.8dB，波長相關損耗＜0.1dB，確保信號長距離傳輸質量；

6.      成本優(yōu)勢：相比傳統(tǒng) ROADM 設備，廣西科毅的方案通過光開關矩陣集成化設計，設備體積減少 40%，部署成本降低 25%。

光開關矩陣技術的未來與廣西科毅服務

光開關矩陣技術的發(fā)展，正推動 IOXC 與 ROADM 向 “更高容量、更低損耗、更智能” 方向邁進 ——MEMS 技術將實現 128×128 甚至更大端口的交叉容量，壓電與自動光耦合技術將進一步降低損耗，而 AI 算法的引入將實現光路的自適應調整。這些技術進步，將加速 ASON 網絡的普及，為 5G 承載、數據中心互聯(lián)、工業(yè)互聯(lián)網等場景提供更高效的光傳輸支撐。

作為光通信核心器件的專業(yè)廠商，廣西科毅光通信科技有限公司始終以技術創(chuàng)新為核心，可為客戶提供三大服務：

1.      定制化產品：支持 MEMS、壓電、自動光耦合三大技術路線的光開關矩陣定制，適配不同端口（4×4~64×64）、不同場景（干線網、城域網、企業(yè)專網）需求；

2.      整體解決方案：提供 “光開關矩陣 + IOXC+ROADM” 的一體化 ASON 組網方案，包含前期技術咨詢、中期設備部署、后期運維支持；

3.      技術支持服務：通過官網（www.www.czflyt.com）、技術熱線、現場服務等渠道，為客戶提供 7×24 小時的技術支持，確保網絡穩(wěn)定運行。

如需了解光開關矩陣產品參數、ASON 組網方案細節(jié)，或申請樣品測試，歡迎訪問廣西科毅官網www.www.czflyt.com，或聯(lián)系公司銷售團隊獲取專屬服務。

選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，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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