在自主駕駛、激光雷達(dá)（Lidar）等新興技術(shù)快速發(fā)展的今天，光開(kāi)關(guān)作為光子集成電路（PIC）的核心組件，承擔(dān)著光信號(hào)引導(dǎo)、發(fā)射與切換的關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)波束控制方案（如微鏡陣列、光學(xué)相控陣）面臨視場(chǎng)有限、控制復(fù)雜、對(duì)激光器要求苛刻等痛點(diǎn)，而MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）光開(kāi)關(guān)憑借緊湊結(jié)構(gòu)、快速切換、高消光比等優(yōu)勢(shì)，成為芯片級(jí)激光雷達(dá)（固態(tài)激光雷達(dá)）的理想選擇。廣西科毅光通信深耕光通信領(lǐng)域，將專(zhuān)利級(jí)MEMS光開(kāi)關(guān)技術(shù)落地量產(chǎn)，為行業(yè)提供高效、穩(wěn)定的光開(kāi)關(guān)解決方案。

一、MEMS光開(kāi)關(guān)核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

相較于傳統(tǒng)光開(kāi)關(guān)（熱光開(kāi)關(guān)、液晶開(kāi)關(guān)等），MEMS光開(kāi)關(guān)在性能上實(shí)現(xiàn)多重突破，尤其適配激光雷達(dá)等高精度場(chǎng)景：

1.      耦合效率可控：開(kāi)啟狀態(tài)下總線(xiàn)波導(dǎo)與耦合波導(dǎo)/光學(xué)天線(xiàn)耦合效率≥50%，關(guān)閉狀態(tài)≤1%，信號(hào)切換精準(zhǔn)無(wú)干擾；

2.      切換速度快：依托MEMS靜電致動(dòng)器與輕量化耦合器設(shè)計(jì)，切換響應(yīng)速度滿(mǎn)足激光雷達(dá)高頻工作需求；

3.      結(jié)構(gòu)緊湊：?jiǎn)纹捎赑IC芯片，可形成二維陣列布局，大幅節(jié)省安裝空間；

4.      控制簡(jiǎn)單：無(wú)需復(fù)雜電子器件，支持行/列尋址或子陣列同步控制，降低系統(tǒng)集成成本；

5.      穩(wěn)定性強(qiáng)：采用固定光學(xué)天線(xiàn)+可移動(dòng)耦合器設(shè)計(jì)，避免機(jī)械磨損，延長(zhǎng)使用壽命。

二、MEMS光開(kāi)關(guān)核心結(jié)構(gòu)與工作原理

MEMS光開(kāi)關(guān)的核心設(shè)計(jì)圍繞“電壓控制距離、距離調(diào)節(jié)耦合效率”展開(kāi)，主要包含三種專(zhuān)利結(jié)構(gòu)方案，均已通過(guò)廣西科毅光通信技術(shù)驗(yàn)證：

（一）基礎(chǔ)型MEMS光開(kāi)關(guān)：梳狀驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

核心組成包括基板支撐的總線(xiàn)波導(dǎo)、致動(dòng)電極與反應(yīng)電極。致動(dòng)電極帶有垂直于基板的鰭部，與反應(yīng)電極的叉指鰭部形成梳狀驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)電壓差控制反應(yīng)電極位置：

6.      電壓差＜下閾值（接近0V或±5V以?xún)?nèi)）：反應(yīng)電極距總線(xiàn)波導(dǎo)為第一距離（≥650nm），光信號(hào)沿總線(xiàn)波導(dǎo)無(wú)干擾傳輸，開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)；

7.      電壓差＞上閾值：反應(yīng)電極移動(dòng)至第二距離（≤180nm），光信號(hào)高效耦合至耦合波導(dǎo)或光學(xué)天線(xiàn)，開(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟狀態(tài)。

圖1 光開(kāi)關(guān)陣列系統(tǒng)的頂視圖

圖2 光開(kāi)關(guān)陣列系統(tǒng)的側(cè)視圖

（二）增強(qiáng)型MEMS光開(kāi)關(guān)：排斥電極輔助控制

在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上增加排斥電極，與致動(dòng)電極配合形成“吸引力+排斥力”雙控機(jī)制：

8.      致動(dòng)電極與反應(yīng)電極施加相反極性電壓（產(chǎn)生吸引力），排斥電極與反應(yīng)電極施加相同極性電壓（產(chǎn)生排斥力）；

9.      當(dāng)吸引力＜排斥力時(shí)，反應(yīng)電極保持第一距離（關(guān)閉狀態(tài)）；當(dāng)吸引力＞排斥力時(shí)，反應(yīng)電極移動(dòng)至第二距離（開(kāi)啟狀態(tài)）；

10.    部分方案增設(shè)光電檢測(cè)器與閉環(huán)反饋機(jī)制，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電壓差，確保耦合效率穩(wěn)定。

圖3  在懸置層上具有可移動(dòng)光耦合器并且在基板層上具有固定光學(xué)天線(xiàn)的開(kāi)關(guān)陣烈布局的頂視圖，其中詳細(xì)說(shuō)明了單個(gè)元件

（三）陣列型MEMS光開(kāi)關(guān)：多通道波束控制

通過(guò)總線(xiàn)波導(dǎo)分路、光開(kāi)關(guān)陣列布局，實(shí)現(xiàn)二維波束控制，核心組成包括：

11.    固定光學(xué)天線(xiàn)陣列（可按行/列選擇性啟用）；

12.    懸掛式耦合波導(dǎo)（與反應(yīng)電極同步移動(dòng)）；

13.    多組致動(dòng)電極（獨(dú)立控制單個(gè)或子陣列開(kāi)關(guān)）；

14.    支持發(fā)射、接收或收發(fā)一體模式，適配激光雷達(dá)ToF（飛行時(shí)間）與FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）操作。

圖4 在開(kāi)關(guān)陣列中具有光耦合懸臂和固定光學(xué)天線(xiàn)的光開(kāi)關(guān)的透視圖

圖5 二維固定光學(xué)天線(xiàn)的透視圖

三、關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)解析

1.光學(xué)天線(xiàn)與耦合波導(dǎo)

15.    光學(xué)天線(xiàn)：采用光柵結(jié)構(gòu)，可設(shè)計(jì)為單行/單列或二維陣列，固定于基板層（避免移動(dòng)影響性能），支持光信號(hào)在自由空間的定向發(fā)射/接收；

16.    耦合波導(dǎo)：懸掛于總線(xiàn)波導(dǎo)上方，采用漸變錐形設(shè)計(jì)（尖端寬度0.08-0.2μm，基部0.2-0.5μm），縮短耦合長(zhǎng)度并降低傳輸損耗。

圖6 總線(xiàn)波導(dǎo)和對(duì)應(yīng)的耦合器波導(dǎo)的透視圖

2.致動(dòng)與限位機(jī)制

17.    靜電致動(dòng)：通過(guò)電極間電壓差產(chǎn)生靜電力，驅(qū)動(dòng)耦合波導(dǎo)/反應(yīng)電極移動(dòng)，電壓需求低（典型值40V可實(shí)現(xiàn)620nm位移）；

18.    非機(jī)械限位：采用靜電懸浮或梳狀驅(qū)動(dòng)器替代傳統(tǒng)機(jī)械限位器，避免摩擦磨損，延長(zhǎng)使用壽命。

圖7 具有梳狀驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)的透視圖,該梳狀驅(qū)動(dòng)器用于控制總線(xiàn)波導(dǎo)與光柵之間的耦合距離

圖8 沿著圖45A的切口的橫截面圖,其圖示了梳狀驅(qū)動(dòng)器

3.陣列控制方案

19.    行/列尋址：M×N陣列僅需M+N個(gè)控件，通過(guò)激活目標(biāo)行與列的電極實(shí)現(xiàn)單個(gè)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)（如圖7）；

圖9 被配置成獨(dú)立尋址行和列的開(kāi)關(guān)陣列系統(tǒng)的示圖

20.    子陣列同步：支持多個(gè)子陣列同時(shí)啟動(dòng)，適配大范圍波束掃描需求（如圖8）；

圖10 被配置成同時(shí)尋址子陣列的開(kāi)關(guān)陣列系統(tǒng)的示圖

21.    分路樹(shù)組合：結(jié)合分路樹(shù)與二元開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)光功率均勻分配或選擇性引導(dǎo)（如圖11、12）。

圖11 包括分路樹(shù)(splitter tree)和光開(kāi)關(guān)的光開(kāi)關(guān)陣列系統(tǒng)的透視圖圖

圖12 包括分路樹(shù)和至少兩種類(lèi)型的光開(kāi)關(guān)的光開(kāi)關(guān)陣列系統(tǒng)的透視圖

四、核心性能參數(shù)與測(cè)試數(shù)據(jù)

廣西科毅光通信通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，MEMS光開(kāi)關(guān)關(guān)鍵性能指標(biāo)如下：

圖13 耦合效率關(guān)于耦合錐形(taper)長(zhǎng)度的圖形表示

圖14 傳輸損耗關(guān)于波長(zhǎng)的圖形表示

圖15 沿Z軸的位移關(guān)于切換速度的圖形表示

圖16 強(qiáng)度關(guān)于發(fā)射角的圖形表示

五、應(yīng)用場(chǎng)景

MEMS光開(kāi)關(guān)憑借高可靠性與靈活適配性，已廣泛應(yīng)用于：

1.      芯片級(jí)激光雷達(dá)：適配自主車(chē)輛、無(wú)人機(jī)的環(huán)境感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度波束掃描；

2.      光通信設(shè)備：作為光子集成電路的核心切換組件，用于數(shù)據(jù)中心、光纖通信的光信號(hào)路由；

3.      傳感系統(tǒng)：工業(yè)傳感、生物傳感等領(lǐng)域的光信號(hào)精準(zhǔn)控制與傳輸；

4.      軍工電子：小型化、高穩(wěn)定性需求的特種光電子設(shè)備。

圖17 接收和發(fā)射光信號(hào)的光開(kāi)關(guān)陣列系統(tǒng)的透視圖

六、廣西科毅光通信技術(shù)實(shí)力

廣西科毅光通信（官網(wǎng)：www.www.czflyt.com）專(zhuān)注光開(kāi)關(guān)、光耦合器等光通信核心器件的研發(fā)與量產(chǎn)，依托專(zhuān)利級(jí)MEMS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從芯片設(shè)計(jì)、封裝測(cè)試到系統(tǒng)集成的全鏈條服務(wù)。公司產(chǎn)品通過(guò)嚴(yán)苛環(huán)境測(cè)試，適配-40℃~85℃工作溫度范圍，已為多家激光雷達(dá)廠(chǎng)商、通信設(shè)備商提供定制化解決方案。

我們始終以“技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品升級(jí)”為核心，持續(xù)優(yōu)化MEMS光開(kāi)關(guān)的耦合效率、切換速度與穩(wěn)定性，助力客戶(hù)攻克技術(shù)痛點(diǎn)，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

擇合適的光開(kāi)關(guān)及光衰減器等光學(xué)器件是一項(xiàng)需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應(yīng)商實(shí)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(xì)對(duì)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(shí)、質(zhì)量可靠、服務(wù)專(zhuān)業(yè)的合作伙伴。

訪(fǎng)問(wèn)廣西科毅光通信官網(wǎng)www.www.czflyt.com瀏覽我們的光開(kāi)關(guān)產(chǎn)品，或聯(lián)系我們的銷(xiāo)售工程師，獲取專(zhuān)屬的選型建議和報(bào)價(jià)！